超级电容器新进展：基于石墨烯与V2O5纳米带形成的三维多孔电极材料

超级电容器凭借其充放电速度快、功率密度高、使用寿命长等优异性能而倍受关注。然而，超级电容器由于其较低的能量密度，而很少有被单独使用或者大量应用在我们的日常生活中。因此，如何提高其能量密度便成了扩大超级电容器应用范围的关键。其中，提高其比容量是提高能量密度的有效方法之一。碳材料是一种常用的电极材料，由于它具有表面积大、导电性好等优点，从而具备很好的稳定性和倍率性能，但其最大的缺点就是容量较低。而另一类常用的电极材料则是金属氧化物，具备较高的比容量，代表材料如五氧化二钒（V₂O₅）。研究表明，块状的V₂O₅的能量密度仅有11.6 Wh/g，而气凝胶形态的V₂O₅的能量密度则会显著提高。

美国莱斯大学Ajayan教授课题组与北京航空航天大学杨树斌教授课题组合作，通过简单高效的水热方法，利用氧化还原石墨烯（Reduced graphene oxide）和V₂O₅粉末为原料， 成功制备了气凝胶形态的层状石墨烯与V₂O₅纳米带互相交错的三维多孔结构。室温下，作为超级电容器电极材料时，该材料表现了优异的倍率性能。在1 A/g电流密度下，其比容量达到437 F/g的高比容量；在20 A/g的大电流密度下，其比容量仍旧能达到234 best online casino F/g。与此同时，该材料还具备了卓越的循环性能。在5 A/g下循环10000次之后，其比容量保持在首次容量的98%；在10 A/g大电流密度下循环10000次后，比容量仍旧维持在96%以上。相关研究成果由Ajayan课题组的博士研究生Gonglan Ye、Yongji Gong等人发表于Particle & Particle Systems Characterization。

该三维多孔结构的石墨烯与V₂O₅纳米带之所以能表现出如此优异的电化学性能，主要源自其独特的微观及宏观优势。首先，超薄的V₂O₅纳米带极大地加速了电子和离子之间的传输。其次，层状石墨烯与V₂O₅纳米带的互相交错形成三维的多孔结构具备了大的比表面积，有利于电解液与材料的充分接触以及电子交换。最后，由于石墨烯作为整个三维材料的支撑骨架，大大提高了整个电极材料的导电性能，保证了电极结构的稳定性，更进一步提高了电容器的循环性能。

该工作报道的三维多孔结构的制备，是一种简单、容易实现大规模量产的方法，有望在制备高比容量、高倍率性能的超级电容器研究领域得到广泛应用。