超級電容器，也稱電化學電容器，是基于高比表面積炭電極/電解液界面產(chǎn)生的雙電層電容，或者基于過渡金屬氧化物或?qū)щ娋酆衔锏谋砻婕绑w相所發(fā)生的氧化還原反應(yīng)來實現(xiàn)能量的儲存。其構(gòu)造和電池類似，主要包括正負電極、電解液、隔膜和集流體。

 

作為一種新型儲能裝置，超級電容器具有輸出功率高、充電時間短、使用壽命長、工作溫度范圍寬、安全且無污染等優(yōu)點，有望成為本世紀新型的綠色電源。傳統(tǒng)的超級電容器體積較大，不能適應(yīng)微型設(shè)備對于儲能器件體積較小的要求。因此，高性能微型超級電容器的設(shè)計與制備，以及在微型系統(tǒng)中作為能量存儲單元的應(yīng)用是當前研究的熱點之一。

 

眾所周知，電極材料是超級電容器的關(guān)鍵所在，它決定著電容器的主要性能指標，如能量密度、功率密度和循環(huán)穩(wěn)定性等。截至目前，納米結(jié)構(gòu)的活性炭、碳化物轉(zhuǎn)化炭、碳納米管、炭洋蔥、氧化釕、聚苯胺和聚吡咯等已經(jīng)被用于微型超級電容器的電極材料，然而，它們的性能指標很難滿足不斷發(fā)展的微型能源系統(tǒng)的實際使用要求。而且，制造微型超級電容器電極需要復(fù)雜的光刻工藝，條件苛刻、周期長，因此很難降低產(chǎn)品的成本及價格，從而阻礙了其商業(yè)化前景。

 

由一層碳原子呈蜂窩狀有序排列而構(gòu)成的石墨烯已經(jīng)被證明是一種新型且高效的超級電容器電極材料。近日，美國加州大學洛杉磯分校工程及應(yīng)用科學學院理查德·卡奈爾教授研究團隊發(fā)展了以石墨烯為基礎(chǔ)的新型微型超級電容器。

 

令人非常興奮的是，該電容器不僅具有小巧的外形，更重要的是可以在極短的時間內(nèi)完成充電，其充放電的速度比標準電池快數(shù)百倍甚至上千倍。

 

此外，這種石墨烯基微型超級電容器還具有極佳的柔性，一般的扭曲不會影響電容器的性能。更令人驚奇的是，制造這種體積很小的微型超級電容器并不需要高精尖的設(shè)備器械，利用一臺普通的家用DVD光雕刻錄機就可以完成整個生產(chǎn)過程。該研究團隊能在不到30分鐘的時間內(nèi)，在一張光盤上生產(chǎn)出100多個石墨烯微型超級電容器，其工藝過程簡單，并且所用材料都很廉價。

 

除了電極材料，該團隊對電極結(jié)構(gòu)也進行了優(yōu)化和比較。與較為普遍的三明治夾層式石墨烯電極相比，光刻得到的平面石墨烯電極具有更加優(yōu)越的電容性能。而且，相同面積的石墨烯，手指交叉形狀的微型電極數(shù)量越多，電容器的性能就越好。

 

同時，該團隊還首次提出了一種由納米二氧化硅和離子液體混合構(gòu)成的新型固態(tài)電解質(zhì)。與傳統(tǒng)固態(tài)電解質(zhì)相比，該電解質(zhì)可以數(shù)倍提高電容器的容量及耐用時間，該方面的性能甚至可以和薄膜型的鋰離子電池相媲美。

 

因此，這種新穎的石墨烯微型電容器有望作為MEMS系統(tǒng)、便攜式電子設(shè)備、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、柔性顯示器、電子報紙，及其多種生物體內(nèi)電子設(shè)備的儲能器件得到應(yīng)用。

 

以電池驅(qū)動的電動汽車雖然具有良好的生態(tài)足跡，但也有許多特性使其無法成為傳統(tǒng)汽車最具吸引力的替代方案，例如價格負擔不起、續(xù)航里程太短、充電時間太長等。如果能以一種更好的電力儲存方式取代笨重又龐大的電池，就能為電動汽車排除掉這些不太受歡迎的特性。根據(jù)歐洲一項研究計的結(jié)果顯示，高容量的超級電容器可望成為一項理想的替代方案。

 

在這項名為“ElectroGraph”的研究計劃中，來自研究機構(gòu)與業(yè)界的十位合作伙伴共同開發(fā)出一款比現(xiàn)有超級電容器具有更高儲存性能的創(chuàng)新超級電容器。以德國研究機構(gòu)Fraunhofer IPA為主導(dǎo)的研究團隊們基于這樣的研究前提：電容器容量的增加與電極的可用區(qū)域成正比。因此，研究人員們針對一種具有前景的納米材料進行探索──具有更高表面積/單位體積（m2/g）的石墨烯。實際上，石墨烯由于具有高達每克（g）約2，600平方公尺（m2/g）的“內(nèi)部表面積”，使其成為超級電容器電極的理想材料。此外，石墨烯還具有良好的電流傳導(dǎo)性能。

 

石墨烯是由碳原子的超薄單層晶格所組成，大幅增加了電極表面。電極之間的空間則在離子液體的基礎(chǔ)上以液體電解質(zhì)加以填充。“基于石墨烯的電極結(jié)合離子電解質(zhì)，形成了理想的材料組合，”在Fraunhofer主導(dǎo)這項計劃的Carsten Glanz解釋。

 

事實上，并不是只有Fraunhofer的研究人員在進行這項研究，目前還有幾個研究計劃也正深入探討這一研究方向。

 

在斯圖加特的研究人員們選擇了一種特定的方法：透過讓石墨烯薄層之間以一定距離排列的方式，他們就能夠建立一種制造方法──讓納米材料的理論上可用面積變得實際可用。這方法避免石墨烯薄層之間彼此相連而導(dǎo)致儲存面積減少，從而影響了可儲存的能量。

根據(jù)Glanz表示，在這項研究中所發(fā)現(xiàn)的電極可提供較目前超級電容器所用的商用電極更多75%的儲存容量。研究人員們深信，在未來的電動汽車，電池將會連接到分布在整部汽車中的多個超級電容器。這些超級電容器可儲存用于執(zhí)行HVAC 、導(dǎo)航系統(tǒng)或電動后視鏡所需的電能，有效地降低電池負載，以及作為卸除電池的緩沖儲存，特別是當馬達被啟動時。因此，未來也能能只需較小型的電池即可。

 

研究團隊們開發(fā)出一款展示系統(tǒng)──這是一款位于汽車外部后視鏡中的超級電容器，它可在調(diào)整汽車后視鏡時供電。

 

近些年，隨著針對石墨烯這種“萬能材料”研究的不斷深入和國家對新能源領(lǐng)域的大力支持和投入，一些高校和科研院所，包括清華大學、北京大學、復(fù)旦大學、天津大學，中科院物理研究所、金屬研究所、寧波材料所以及蘭州化物所等，都在積極開展石墨烯基微型超級電容器的研究工作。

 

例如，清華大學科研人員成功制備了具有高倍率特性的三維石墨烯微型超級電容器，中科院蘭州化物所科研人員在國際上首次發(fā)現(xiàn)石墨烯量子點具有極好的電容特性，以其為電極材料制備的微型電容器具有極好的倍率特性和頻率響應(yīng)特性。

 

一個理想的微型超級電容器應(yīng)該同時包括高性能的電極材料、與之相匹配的電解液以及科學合理的電極結(jié)構(gòu)。電極材料方面，炭電極的導(dǎo)電性及循環(huán)穩(wěn)定性好，而金屬氧化物則可以存儲更多的電荷，因此，兩者的有效結(jié)合將會構(gòu)成非常理想的電極材料。

 

電解液方面，離子液體可以顯著提高電容器器件的工作電壓、充放電持續(xù)時間以及使用溫度范圍。微型電極結(jié)構(gòu)方面，將電極做成立體三維結(jié)構(gòu)可獲得更大的表面積，有利于負載更多的電極活性物質(zhì)以及保證活性物質(zhì)的充分利用，從而有利于改善電容器電荷存儲性能。

 

因此，以石墨烯—納米金屬氧化物復(fù)合材料作為電化學活性材料，輔之以結(jié)構(gòu)合理的三維電極，并選擇合適的離子液體電解液，就有望實現(xiàn)制備兼具傳統(tǒng)電容器和鋰離子電池雙重優(yōu)勢的儲能器件，這將會成為未來該領(lǐng)域的一個重要研究發(fā)展方向。

 

此外，繼續(xù)尋求快速有效且成本低廉的微型電極制造技術(shù)、電容器封裝和模塊化技術(shù)，以及微型超級電容器與其他能源器件的耦合技術(shù)等也是未來的研發(fā)重點。