日常生活中許多產品離不開電池，但電池的充電速度和使用時間始終遭人詬病。美國華人科學家在最新一期美國《科學》雜志上報告說，他們研制出一種多孔石墨烯復合電極技術，朝著研制充電速度快且續航能力強的電池邁近重要一步。美國加利福尼亞大學洛杉磯分校段鑲鋒教授對新華社記者說，充電快慢由功率密度決定，使用時間長短由能量密度決定，但對于現在大部分電池，提高功率密度與提高能量密度通常相互沖突。而以多孔石墨烯為三維框架結構、表面均勻生長納米顆粒五氧化二鈮的方式制成的復合電極，能同時實現充電快和使用時間長這兩個目標。“對于一個需要充1小時電的手機電池，利用這個電極有可能把充電時間降到10分鐘內，而電池容量并沒有減少多少，”他舉例說，“此前我們可能聽說過類似快充，但一般伴隨的是能量密度（使用時間）的大幅降低。”鋰離子電池是目前最主流的電池類型，但其能量密度等性能被認為已接近極限。過去10多年，學術界的很多研究集中在新的電極材料上，尤其是納米結構電極材料。這些材料在實驗中可輸出很高的能量或實現快充，但在商用器件中卻一直沒辦法達到理想性能。石墨烯是從石墨材料中剝離出來，由碳原子組成的二維晶體，具有優異的導電性能。這項研究使用三維多孔石墨烯結構，加上五氧化二鈮作為電極材料，較好地解決了相關技術難題，成功實現了較高電池容量和超快速充放電的組合。段鑲鋒說：“利用類似原理，我們正在把三維多孔石墨烯與高容量納米材料，如納米硅、硫等復合，若成功實施有望在電池容量上實現3至5倍以上的改善，進一步增加手機待機時間或電動汽車的行駛距離。”他說，雖然相關工作仍有很多細節需要完善，生產工藝也需進一步優化，但這“為實現高容量、高功率商用電池器件指出了一個切實可行的藍圖”。研究成果：對電池而言，電極材料對電荷儲存起直接作用，其他元器件對電池性能起到不可或缺的間接輔助作用。電極容量和電極上負載的活性材料的質量成正比，更高的負載量意味著更大的電荷儲存能力，同時也需要更快的電荷傳遞能力。納米結構電極材料在高能量密度和高功率密度方面都表現出比傳統電極更大的優勢，可以有效提高質量比容量和比率放電能力。

5月11日，清華-伯克利深圳學院（TBSI）成會明教授應《Science》（《科學》）編輯的邀請，與中國科學院金屬研究所的李峰研究員對段鑲鋒教授的最新研究成果進行了評述，以“Chargedeliverygoesthedistance”為題同期發表。

納米電極材料在理論上具有很高的能量或功率密度，但一直難以商業化，因為其擔載量難以提高，一般比商業化儲能器件中常用的活性物質面密度小10倍。如果增加電極材料的厚度，則離子的擴散阻力顯著增加，致使電極的性能急劇下降。因此，最終儲能器件的面積容量或面積電流密度很難超越現有鋰離子電池的水平。

5月11日著名學術刊物《Science》發表了美國加州大學洛杉磯分校段鑲鋒教授團隊的最新研究成果，他們設計了一種三維多孔石墨烯-Nb2O5復合電極材料，其中高度聯通的石墨烯網絡結構具有優異的電子傳輸特性，而其層次孔結構則促進了離子的快速輸運，從而使該材料在接近工業負載量的電極中同時實現了高容量和高功率特性。

由于TBSI成會明教授在石墨烯和儲能材料研究領域具有重要國際影響，《Science》編輯特邀他對段鑲鋒教授的研究成果發表評述。

在“Chargedeliverygoesthedistance”一文中，成會明教授和李峰研究員首先闡述了活性材料面密度對電極容量的重要影響，分析了目前石墨、納米硅、硅-碳、碳-硫等幾種典型電極材料的現狀，闡述了段鑲鋒教授發展的三維多孔石墨烯-Nb2O5復合電極材料的結構特征及電化學性能。

最后他們指出未來高性能儲能材料和儲能器件將向小型化、柔性化、智能化、集成化方向發展，不僅要開發高性能活性材料，而且要在電解質、隔膜、電極結構等方面全面創新，并將采用3D打印、全息圖案化等新的制造技術，從而制造出高性能儲能器件，使人類在不久的將來可在任何時候、任何地方自由地使用電能。