近年来研究表明，纳米电极材料有望提供相当于现在商用锂离子电池数倍的能量或功率密度，但该材料此前只能在负载量极低的超薄研究型电极中达到其优异性能，难以在需要较高负载量的商用器件中实现其应有潜力。美国加州大学洛杉矶分校段镶锋教授团队最近研制出一种三维多孔石墨烯复合电极材料，成功地解决了电极性能随着负载量急剧下降的关键难题，使得制备高负载的高性能电极成为可能。相关研究成果美国时间11日发表在《科学》杂志上。
段镶锋近日接受科技日报记者采访时表示，虽然许多纳米材料在一些研究型器件中展现了优异的储能性能，但在此类器件中，电极活性材料负载量经常只有商业化器件中常用负载量的10%左右。由于极低的负载量，最终体现在整体器件中的容量或功率密度很难能较大幅度地超过现在的锂离子电池。如果只是简单地增加电极厚度，随着厚度的增加，电子输运电阻和离子扩散电阻都会显著增加，致使电极性能急剧下降。
该团队研发的三维多孔石墨烯复合材料中，高度联通的石墨烯网络结构提供了优异的电子传输特性，而其多层次孔结构则大大促进了离子的快速输运，从而使该材料在高负载电极中首次同时实现了较高的容量和极高的功率特性。“这标志着高性能电极材料在朝商用储能器件方向发展的道路上迈出了关键的一步。”中国科学院院士、中国科学院金属研究所研究员成会明评论说。
段镶锋表示，这一方案可以适用于其他高性能电极材料，为在商业级器件中实现此类高性能储能材料的潜力提供了一个切实可行的途径，有望极大提高相关储能器件的容量和充放电速度。