Science | 三维多孔石墨烯，突破电荷传输距离限制

纳米结构电极材料展示出非凡的前景，能够在储存更多能量（高能量密度）和加速充放电速度（高功率密度）方面发挥优势。然而，这些材料的性能通常局限于实验室环境，尤其是在超薄电极和极低质量负载条件下（ <1 mg cm ⁻² ）表现出色。要使其满足商业电池的需求（质量负载约 10 mg cm ⁻² 或更高），必须攻克在较厚电极中高效传递电荷的难题。而对新兴纳米材料来说，这一挑战尤为严峻，因为与传统电极材料相比，它们需要在 同一时间内传递更多的电荷 。

Sun 等研究人员报告了一种三维多孔石墨烯框架（ HGF ）的创新设计。这一框架极大地提升了电荷传输效率。不仅如此，它在符合实际应用的质量负载（ 10-20 mg cm ⁻² ）条件下，实现了高面积容量与电流密度的卓越平衡。这无疑是高性能电极材料在商业化应用领域迈出的重要一步。 H. Sun et al., Science 356, 599 (2017).

电池或超级电容器的基本结构通常包括正、负电极（由活性材料涂层与金属集流体组成，集流体常采用铜或铝箔）、两极之间的隔膜，以及促进离子移动的电解质。电极材料是储存电能的核心部分，其他组件则为电池功能的正常运行提供支撑。值得注意的是，纳米结构电极材料有可能使现有电池或超级电容器的能量密度和功率密度发生革命性飞跃。例如，与传统电极材料相比， 纳米结构硅的质量比容量可以提高 10 倍，而纳米结构 Nb2O5 则能够实现倍率性能提高 10 至 100 倍 。

尽管如此，这些纳米结构电极材料通常仅在低质量负载的超薄电极下表现出强大的潜力，但并不适用于实际应用场景。例如，一个高容量（ 10 安时）的商业锂离子电池，其正极负载质量需接近 20 mg cm ⁻² ，而负极则需约 10 mg cm ⁻² ，活性材料通常占总重量的 50-70% 。随着活性材料负载增加，电池中的被动组件重量比例将相对减少，这对实现更高层级的能量和功率密度至关重要。

为了在 10 mg cm ⁻² 的质量负载条件下维持与 1 mg cm ⁻² 相似的质量比容量和电流密度， 电极需要约 100 倍更快的离子和电子传输速率，从而在 10 倍更长的传输距离内运送 10 倍更多的电荷 。要想在实际电池中使用具备更高本征容量、更高倍率性能，或兼具两者的新型活性材料，就必须能在一定时间内于每单位电极面积上传递更多的电荷。

然而，在厚电极中，离子传输效率和电子传导阻力成为制约因素。这种限制直接导致现有商用石墨负极、高容量硅以及碳 / 硅、碳 / 硫复合电极在 0.4-1A/g 的电流密度下，随着质量负载的增大， 容量保持率急剧下降 。而当电流密度进一步提高（即功率密度更高）时，这一问题则会变得更加严重。因此，设计具有更高效电荷传输性能的电极结构成为了实际应用中的关键挑战。

Sun 团队设计的 HGF/Nb2O5 复合电极展示了这一方向的潜力：该电极展示了出色的电荷传输性能，在高质量负载和高电流密度下仍具有良好的容量保持率。类似的性能还被观察到，例如在应用于锂硫电池中的石墨烯框架 / 硫复合电极体系中，均取得了显著优势。 HGF （ 3D 多孔石墨烯框架）电极以其高比表面积为基础，高效承载 Nb2O5 纳米颗粒，同时不会对反应效率或电荷传输产生不利影响。框架中高度互联的石墨烯网络赋予了卓越的电子传导性能，分层的多孔结构则保证了高离子扩散速率。此外，在石墨烯片内生成的孔结构为离子流提供了更多直达路径，有效减轻了电解质通过多孔结构时的传输瓶颈。