莱斯大学利用新材料提升电动汽车锂离子电池性能

赖斯大学研究人员近期利用二氧化钒-石墨烯材料作为电动汽车锂离子电池的正极（即阴极）材料，并在研究过程中发现其能够实现超高效的充放电速率，并且在多次充放电循环后仍能保持较高的可逆容量。相关技术论文已发表于美国化学学会（ACS）NanoLetters杂志上。

以单晶氧化钒与带状石墨烯作为锂离子电池正极活性材料能够在20秒内实现完整的充电或放电过程。在以190C超高放电率状态下循环1000次，电池仍能保持初始容量的90%，实验数据显示这是迄今为止循环性能最佳的正极材料。

目前电动汽车中的锂离子电池发展的障碍之一就是离子与电子在电极材料中扩散缓慢。而目前研究人员利用一种有效的手段改善这一情况，通过减少电化学活性材料的特点尺寸，因为离子扩散时间与材料长度的平方成正比（t≈L2/D）。在这方面，纳米材料包括纳米线、纳米管、纳米粒子、纳米石墨烯片、纳米带等形式的材料已被合成用来改善锂离子电池的电化学性能。然而，未改性纳米材料要同时具备高效离子及电流通路非常困难，因此纳米材料达到的效果并不尽如人意。

为了进一步解决该问题，人们采用多种高导电三维架构作为纳米材料的集电器。虽然通过该方法，电池在充放电速率和容量损失方面有所改善，不过该架构的缺陷在于会导致部分集电体质量较高从而降低电池整体的能量密度（即单位体积电池释放的电能）。另外，这种仅在实验中采用的复杂结构运用到实际中将受到极大限制。

因此，莱斯大学研究人员利用单晶二氧化钒与石墨烯垫层构建三维架构，兼顾了高扩散效率与低分子质量。

氧化钒-石墨烯正极材料在不同充放电速率下锂离子电池的可逆容量

此材料具体的特点为：

1、多渠道进入电解质，促进电极材料中的锂离子快速扩散。

2、二氧化钒化学性质决定了其较短的固态扩散长度，缩短了充放电所需时间。

3、基于石墨烯网络架构，电极整体具有高导电性。

4、电极中的活性材料覆盖率达84%。

这项材料能够实现快速的充电与放电过程。钒氧化物的化学性质、能量密度及结构使它成为目前已知的作为有机层与水溶液锂离子电池最好的活性材料。不过，由于该材料的电荷传递电阻较高，其循环性能较差。而加入了石墨烯材料后，该问题得以解决。

在实验中，研究人员以不同二氧化钒含量比例（84%，78%，68%）来合成二氧化钒-石墨烯正极材料。在以78%二氧化钒含量合成的复合材料中，电池以1C速率放电时的可逆容量达到415毫安时/克。

另外，若以84C和190C放电速率（分别相当于43秒与19秒将电池充满或放完电）进行1000次充放电循环时，该复合材料的可逆容量分别达到222及204毫安时/克。因此研究人员得出结论，二氧化钒-石墨烯材料能够作为性能优异的锂离子电池正极材料。