近年來研究表明，納米電極材料有望提供相當于現(xiàn)在商用鋰離子電池數(shù)倍的能量或功率密度，但該材料此前只能在負載量極低的超薄研究型電極中達到其優(yōu)異性能，難以在需要較高負載量的商用器件中實現(xiàn)其應有潛力。美國加州大學洛杉磯分校段鑲鋒教授團隊最近研制出一種三維多孔石墨烯復合電極材料，成功地解決了電極性能隨著負載量急劇下降的關鍵難題，使得制備高負載的高性能電極成為可能。相關研究成果美國時間11日發(fā)表在《科學》雜志上。

段鑲鋒近日接受科技日報記者采訪時表示，雖然許多納米材料在一些研究型器件中展現(xiàn)了優(yōu)異的儲能性能，但在此類器件中，電極活性材料負載量經(jīng)常只有商業(yè)化器件中常用負載量的10%左右。由于極低的負載量，最終體現(xiàn)在整體器件中的容量或功率密度很難能較大幅度地超過現(xiàn)在的鋰離子電池。如果只是簡單地增加電極厚度，隨著厚度的增加，電子輸運電阻和離子擴散電阻都會顯著增加，致使電極性能急劇下降。

該團隊研發(fā)的三維多孔石墨烯復合材料中，高度聯(lián)通的石墨烯網(wǎng)絡結構提供了優(yōu)異的電子傳輸特性，而其多層次孔結構則大大促進了離子的快速輸運，從而使該材料在高負載電極中首次同時實現(xiàn)了較高的容量和極高的功率特性?！斑@標志著高性能電極材料在朝商用儲能器件方向發(fā)展的道路上邁出了關鍵的一步?！敝袊茖W院院士、中國科學院金屬研究所研究員成會明評論說。

段鑲鋒表示，這一方案可以適用于其他高性能電極材料，為在商業(yè)級器件中實現(xiàn)此類高性能儲能材料的潛力提供了一個切實可行的途徑，有望極大提高相關儲能器件的容量和充放電速度。

汽車儲能領域

電源、電控、電機是純電動汽車的三大系統(tǒng)。目前，作為電源的儲能裝置主要有鋰離子動力電池、超級電容器和燃料電池，三者均要求其電極材料具備大的比表面積、高的導電性和良好的電化學穩(wěn)定性，這為石墨烯的運用提供了廣闊空間。

石墨烯在汽車電池中的應用

石墨烯是一類具有應用前景的鋰離子電池負極材料，已經(jīng)運用到汽車電池研究領域，西班牙一家以工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)石墨烯的Graphenano公司同西班牙科爾瓦多大學合作研究出首例石墨烯聚合材料電池，其儲電量是目前市場最好產(chǎn)品的三倍，用此電池提供電力的電動車最多能行駛1000公里，而其充電時間不到8分鐘。石墨烯聚合材料電池的成本將比鋰電池低77％，重量也僅為傳統(tǒng)電池的一半。

2015年上半年，山東玉皇新能源科技有限公司搭建起了第一條新型電池生產(chǎn)線，這款快充型鋰電動力電池最大的特點就是加入了石墨烯，將電芯內(nèi)阻減小到最小，有效地解決了阻礙鋰電池產(chǎn)品快速充電的技術瓶頸，同時大大延長了電池壽命。目前已經(jīng)投產(chǎn)，主打物流車和觀光車市場一塊加入石墨烯的“超能”電池，30分鐘可充電至最大容量，配備在新能源汽車上續(xù)航里程最高可達400公里，并且電池重量大大減輕。

石墨烯在超級電容器中的應用

所謂超級電容，是介于傳統(tǒng)電容器和充電電池之間的一種新型儲能裝置。其基本原理和其它種類的雙電層電容器一樣，都是利用活性炭多孔電極和電解質(zhì)組成的雙電層結構獲得超大的容量。由于其容量很大，對外表現(xiàn)和電池相同，因此也有稱作“電容電池”。作為儲能器件的一種，超級電容器在充放電過程中釋放的能量巨大，但功率卻只有同重量普通電容器的十分之一。由于超級電容器充放電過程是物理變化，與化學變化的鋰電池充放電過程相比，超級電容器可以快成快放，不用擔心損傷電池。因此業(yè)界專家認為其以上優(yōu)勢可以取代鋰電池成功搭載在新能源汽車中。

南車株機2015年5月單批量交付的世界首列超級電容100%低地板有軌電車，

其采用7500F雙電層超級電容，壽命長達10年，充放電次數(shù)可達100萬次。列車每次進站可快速充電，最大充電時間30秒，最快10秒便能完成充電。2015年10月9日，中國中車株洲電力機車有限公司對外發(fā)布消息，自主研制的新一代大功率石墨烯超級電容問世。經(jīng)院士專家組評審認定，其代表了目前世界超級電容單體技術的最高水平。

石墨烯在儲氫材料中的應用

在燃料電池領域，氫燃料是未來發(fā)展的方向。氫能源在汽車上的應用研究發(fā)展很快，通用汽車已推出的第三代燃料電池汽車，車速每小時已可達160km/h，續(xù)航里程400km。儲氫材料的納米化是提高儲氫能力的一個重要方向。目前，用于儲氫的材料，如鑭鎳系稀土、鎂系合金等，價格非常昂貴。而石墨烯因具有納米結構，同時成本相對較低，是儲氫材料的較好選擇。

目前，有關石墨烯儲氫的實際研究結果與理論容量仍有一定距離。探索不同的石墨烯制備工藝，對石墨烯進行有效摻雜復合是以后石墨烯基儲氫材料研究的重要方向。