高性能石墨烯微型超級電容器面世

    石墨烯(Graphene)是一種由sp2雜化碳原子緊密排列成蜂窩狀晶格結構的、單原子厚度的二維炭材料。這種新型二維材料擁有諸多優異特性，如超薄、高導電性、高比表面積、高比容量，是制備微型超級電容器的重要材料之一。
　小型化、柔性化、平面化的高性能微型電化學儲能器件，是便攜式電子器件和體內電子器件快速發展的迫切需求。作為電化學能源存儲領域的前沿研究方向之一，微型超級電容器(Micro-Supercapacitors)不僅能夠解決微型電池功率密度低、電解電容器能量密度不高的問題，而且有望作為新一代的微量能量與功率源，與納電子器件直接融合集成。目前，在全球范圍內，對微型超級電容器的研究尚處于起步階段，但由于其具備極大的發展潛力，被認為是一種非常有前景的微型能源器件。
　石墨烯已被證明是一種極具前景的高性能能源材料，不僅仍有很大的研究空間和突破的可能，而且有望較快實現其工業應用。為了發展高性能的微型超級電容器：首先，發展新型的形貌和結構可控的石墨烯及其復合材料是關鍵，同時可用其他類石墨烯納米片(如MnO2，RuO2，VS2)材料來增加比容量和能量密度;其次，繼續發展高效、低成本、大面積生產薄膜的技術(如屏幕印刷、噴墨打印、激光刻繪)，獲得形貌連續、孔隙發達、高導電性的薄膜電極;最后，微型超級電容器器件結構的整體優化，需要兼顧電極、隔膜、電解液和基板之間的界面融合，優化高分辨率平面交叉電極結構和微電極主要幾何參數，包括微電極的寬度、長度、數目和電極間隙。
　由德國馬普學會高分子研究所吳忠帥博士、馮新亮教授和中國科學院金屬研究所成會明研究員共同撰寫的綜述文章“芯片儲能用石墨烯基平面微型超級電容器的研究進展”已在《國家科學評論》2014年第2期發表。這篇綜述性論文簡述了微型超級電容器的發展歷史，闡述了以石墨烯為代表的碳基材料在平面微型超級電容器方面的電極結構設計與組裝構建基本原理，并重點介紹了典型的芯片儲能用石墨烯材料(包括還原氧化石墨烯薄膜、CVD石墨烯、摻雜石墨烯、石墨烯量子點、及其復合材料)的控制制備與結構設計，代表性微型超級電容器的微納加工技術(包括光刻、電化學沉積、激光刻繪、噴墨打印等)、電解液選擇(包括水系、有機系、離子液體和固態電解液)、微型器件構型組裝(對稱與非對稱)等方面的最新研究進展，并展望了這類器件的未來發展趨勢。
　近年來成會明研究員和馮新亮教授課題組在石墨烯材料的控制制備、電極的結構設計及新型儲能器件等方面開展的深入研究。例如，成會明研究員課題組設計制備出一種石墨烯/纖維素三維網狀復合材料，不僅秉承了纖維素紙的柔性，而且減少了石墨烯納米片的堆疊團聚，并具有快速輸運電解液離子的通道。由該柔性復合材料裁剪成的梳型電極的平面超級電容器可任意折疊、卷曲成各種形狀，可滿足射頻標簽等微功率應用的需要。
　馮新亮教授課題組開發出一系列小型化、柔性化、平面化、高性能石墨烯微型超級電容器。該課題組利用甲烷等離子體實現了氧化石墨烯薄膜的高效還原，結合微加工光刻技術和電容器組裝技術制備出超薄、柔性、全固態平面型微超級電容器。獲得的微超級電容器具有高的功率密度(495W/cm3)和能量密度(2.5mWh/cm3)，掃描速率達到1000V/s。該研究發現，增加平面交叉微電極的數目和窄化微電極的寬度，能夠顯著增加微電容器的比容量和倍率性能。通過異質原子(硼、氮)共摻雜，可進一步提高石墨烯薄膜的體積比容量(488F/cm3)和掃描速率(2000V/s)。此類石墨烯微型超級電容器能夠充分利用石墨烯二維特征和器件的平面交叉構型，極大地縮短了電解液離子的傳輸距離，可獲得充電或者放電速度比常規電容器快1000倍以上的新型儲能器件，即有望在毫秒時間內完成對特定微器件充電。
 
(責任編輯：王杰)