據(jù)國外媒體報道，美國科學家最近研發(fā)出了一種以石墨烯材料為基礎的超級電容器，其充電速率遠遠高于普通電池。用這種超級電容器為一部iPhone手機充滿電僅僅需要5秒鐘。由于使用石墨烯材料，該超級電容器體積超小且整合性強，被認為將帶來手機、新能源汽車等行業(yè)的革命。

■閻興斌

隨著微機電系統(tǒng)（MEMS）的快速發(fā)展以及便攜式電子設備和無線傳感網(wǎng)絡的廣泛應用，設備微型化已成為一個重要發(fā)展方向，這就要求與之配套的供能器件必須兼具小的體積和高的效率。

目前為設備供能的微型發(fā)電機存在不能持續(xù)供能且功率較低的缺陷，而傳統(tǒng)的微型電池則存在充放電效率低、循環(huán)次數(shù)有限、不具備大功率充放電能力且安全性較差等缺點，因此迫切需要發(fā)展一種體積小、效率高、能量密度和功率密度大、使用壽命長的儲能裝置。

神奇的“超級電容器”

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導電聚合物的表面及體相所發(fā)生的氧化還原反應來實現(xiàn)能量的儲存。其構造和電池類似，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，不能適應微型設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計與制備，以及在微型系統(tǒng)中作為能量存儲單元的應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，納米結構的活性炭、碳化物轉化炭、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，該團隊對電極結構也進行了優(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成的新型固態(tài)電解質。與傳統(tǒng)固態(tài)電解質相比，該電解質可以數(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)、便攜式電子設備、無線傳感網(wǎng)絡、柔性顯示器、電子報紙，及其多種生物體內(nèi)電子設備的儲能器件得到應用。

中國積極參與

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特性。

一個理想的微型超級電容器應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構。電極材料方面，炭電極的導電性及循環(huán)穩(wěn)定性好，而金屬氧化物則可以存儲更多的電荷，因此，兩者的有效結合將會構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。微型電極結構方面，將電極做成立體三維結構可獲得更大的表面積，有利于負載更多的電極活性物質以及保證活性物質的充分利用，從而有利于改善電容器電荷存儲性能。

因此，以石墨烯—納米金屬氧化物復合材料作為電化學活性材料，輔之以結構合理的三維電極，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、電容器封裝和模塊化技術，以及微型超級電容器與其他能源器件的耦合技術等也是未來的研發(fā)重點。