超級(jí)電容器，也稱電化學(xué)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(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存。其構(gòu)造和電池類似，主要包括正負(fù)電極、電解液、隔膜和集流體。

 

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

 

眾所周知，電極材料是超級(jí)電容器的關(guān)鍵所在，它決定著電容器的主要性能指標(biāo)，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(jí)電容器的電極材料，然而，它們的性能指標(biāo)很難滿足不斷發(fā)展的微型能源系統(tǒng)的實(shí)際使用要求。而且，制造微型超級(jí)電容器電極需要復(fù)雜的光刻工藝，條件苛刻、周期長(zhǎng)，因此很難降低產(chǎn)品的成本及價(jià)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(jí)電容器電極材料。近日，美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校工程及應(yīng)用科學(xué)學(xué)院理查德·卡奈爾教授研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了以石墨烯為基礎(chǔ)的新型微型超級(jí)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(shí)間內(nèi)完成充電，其充放電的速度比標(biāo)準(zhǔn)電池快數(shù)百倍甚至上千倍。

 

此外，這種石墨烯基微型超級(jí)電容器還具有極佳的柔性，一般的扭曲不會(huì)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(jí)電容器并不需要高精尖的設(shè)備器械，利用一臺(tái)普通的家用DVD光雕刻錄機(jī)就可以完成整個(gè)生產(chǎn)過程。該研究團(tuán)隊(duì)能在不到30分鐘的時(shí)間內(nèi)，在一張光盤上生產(chǎn)出100多個(gè)石墨烯微型超級(jí)電容器，其工藝過程簡(jiǎn)單，并且所用材料都很廉價(jià)。

 

除了電極材料，該團(tuán)隊(duì)對(duì)電極結(jié)構(gòu)也進(jìn)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(shí)，該團(tuán)隊(duì)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(shí)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(bào)紙，及其多種生物體內(nèi)電子設(shè)備的儲(chǔ)能器件得到應(yīng)用。

 

以電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)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(jià)格負(fù)擔(dān)不起、續(xù)航里程太短、充電時(shí)間太長(zhǎng)等。如果能以一種更好的電力儲(chǔ)存方式取代笨重又龐大的電池，就能為電動(dòng)汽車排除掉這些不太受歡迎的特性。根據(jù)歐洲一項(xiàng)研究計(jì)的結(jié)果顯示，高容量的超級(jí)電容器可望成為一項(xiàng)理想的替代方案。

 

在這項(xiàng)名為“ElectroGraph”的研究計(jì)劃中，來自研究機(jī)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(jí)電容器具有更高儲(chǔ)存性能的創(chuàng)新超級(jí)電容器。以德國(guó)研究機(jī)構(gòu)Fraunhofer IPA為主導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)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(duì)一種具有前景的納米材料進(jìn)行探索──具有更高表面積/單位體積（m2/g）的石墨烯。實(shí)際上，石墨烯由于具有高達(dá)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(jí)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(xiàng)計(jì)劃的Carsten Glanz解釋。

 

事實(shí)上，并不是只有Fraunhofer的研究人員在進(jìn)行這項(xiàng)研究，目前還有幾個(gè)研究計(jì)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(shí)際可用。這方法避免石墨烯薄層之間彼此相連而導(dǎo)致儲(chǔ)存面積減少，從而影響了可儲(chǔ)存的能量。

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

 

研究團(tuán)隊(duì)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(jí)電容器，它可在調(diào)整汽車后視鏡時(shí)供電。

 

近些年，隨著針對(duì)石墨烯這種“萬能材料”研究的不斷深入和國(guó)家對(duì)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(xué)、北京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、天津大學(xué)，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(jí)電容器的研究工作。

 

例如，清華大學(xué)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(jí)電容器，中科院蘭州化物所科研人員在國(guó)際上首次發(fā)現(xiàn)石墨烯量子點(diǎn)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(gè)理想的微型超級(jí)電容器應(yīng)該同時(shí)包括高性能的電極材料、與之相匹配的電解液以及科學(xué)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(chǔ)更多的電荷，因此，兩者的有效結(jié)合將會(huì)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(shí)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(fù)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(chǔ)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(xué)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(shí)現(xiàn)制備兼具傳統(tǒng)電容器和鋰離子電池雙重優(yōu)勢(shì)的儲(chǔ)能器件，這將會(huì)成為未來該領(lǐng)域的一個(gè)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(jí)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(diǎn)。