超級電容器，也稱電化學電容器
，是基於高比表麵積炭電極/電(dian)解(jie)液(ye)界(jie)麵(mian)產(chan)生(sheng)的(de)雙(shuang)電(dian)層(ceng)電(dian)容(rong)
，或(huo)者(zhe)基(ji)於(yu)過(guo)渡(du)金(jin)屬(shu)氧(yang)化(hua)物(wu)或(huo)導(dao)電(dian)聚(ju)合(he)物(wu)的(de)表(biao)麵(mian)及(ji)體(ti)相(xiang)所(suo)發(fa)生(sheng)的(de)氧(yang)化(hua)還(hai)原(yuan)反(fan)應(ying)來(lai)實(shi)現(xian)能(neng)量(liang)的(de)儲(chu)存(cun)。其(qi)構(gou)造(zao)和(he)電(dian)池(chi)類(lei)似(si)，主(zhu)要(yao)包(bao)括(kuo)正(zheng)負(fu)電(dian)極(ji)、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、工作溫度範圍寬、安(an)全(quan)且(qie)無(wu)汙(wu)染(ran)等(deng)優(you)點(dian)
，有(you)望(wang)成(cheng)為(wei)本(ben)世(shi)紀(ji)新(xin)型(xing)的(de)綠(lv)色(se)電(dian)源(yuan)。傳(chuan)統(tong)的(de)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)器(qi)體(ti)積(ji)較(jiao)大(da)，不(bu)能(neng)適(shi)應(ying)微(wei)型(xing)設(she)備(bei)對(dui)於(yu)儲(chu)能(neng)器(qi)件(jian)體(ti)積(ji)較(jiao)小(xiao)的(de)要(yao)求(qiu)。因(yin)此(ci)，高(gao)性(xing)能(neng)微(wei)型(xing)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)器(qi)的(de)設(she)計(ji)與(yu)製(zhi)備(bei)
，以(yi)及(ji)在(zai)微(wei)型(xing)係(xi)統(tong)中(zhong)作(zuo)為(wei)能(neng)量(liang)存(cun)儲(chu)單(dan)元(yuan)的(de)應(ying)用(yong)是(shi)當(dang)前(qian)研(yan)究(jiu)的(de)熱(re)點(dian)之(zhi)一(yi)。

 

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、功率密度和循環穩定性等。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ju苯ben胺an和he聚ju吡bi咯ge等deng已yi經jing被bei用yong於yu微wei型xing超chao級ji電dian容rong器qi的de電dian極ji材cai料liao，然ran而er，它ta們men的de性xing能neng指zhi標biao很hen難nan滿man足zu不bu斷duan發fa展zhan的de微wei型xing能neng源yuan係xi統tong的de實shi際ji使shi用yong要yao求qiu。而er且qie，製zhi造zao微wei型xing超chao級ji電dian容rong器qi電dian極ji需xu要yao複fu雜za的de光guang刻ke工gong藝yi，條tiao件jian苛ke刻ke
、周期長，因此很難降低產品的成本及價格，從而阻礙了其商業化前景。

 

由(you)一(yi)層(ceng)碳(tan)原(yuan)子(zi)呈(cheng)蜂(feng)窩(wo)狀(zhuang)有(you)序(xu)排(pai)列(lie)而(er)構(gou)成(cheng)的(de)石(shi)墨(mo)烯(xi)已(yi)經(jing)被(bei)證(zheng)明(ming)是(shi)一(yi)種(zhong)新(xin)型(xing)且(qie)高(gao)效(xiao)的(de)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)器(qi)電(dian)極(ji)材(cai)料(liao)。近(jin)日(ri)，美(mei)國(guo)加(jia)州(zhou)大(da)學(xue)洛(luo)杉(shan)磯(ji)分(fen)校(xiao)工(gong)程(cheng)及(ji)應(ying)用(yong)科(ke)學(xue)學(xue)院(yuan)理(li)查(zha)德(de)·卡奈爾教授研究團隊發展了以石墨烯為基礎的新型微型超級電容器。

 

令ling人ren非fei常chang興xing奮fen的de是shi，該gai電dian容rong器qi不bu僅jin具ju有you小xiao巧qiao的de外wai形xing，更geng重zhong要yao的de是shi可ke以yi在zai極ji短duan的de時shi間jian內nei完wan成cheng充chong電dian，其qi充chong放fang電dian的de速su度du比bi標biao準zhun電dian池chi快kuai數shu百bai倍bei甚shen至zhi上shang千qian倍bei。

 

此ci外wai
，這zhe種zhong石shi墨mo烯xi基ji微wei型xing超chao級ji電dian容rong器qi還hai具ju有you極ji佳jia的de柔rou性xing，一yi般ban的de扭niu曲qu不bu會hui影ying響xiang電dian容rong器qi的de性xing能neng。更geng令ling人ren驚jing奇qi的de是shi，製zhi造zao這zhe種zhong體ti積ji很hen小xiao的de微wei型xing超chao級ji電dian容rong器qi並bing不bu需xu要yao高gao精jing尖jian的de設she備bei器qi械xie，利li用yong一yi台tai普pu通tong的de家jia用yongDVD光雕刻錄機就可以完成整個生產過程。該研究團隊能在不到30分鍾的時間內
，在一張光盤上生產出100多個石墨烯微型超級電容器
，其工藝過程簡單，並且所用材料都很廉價。

 

除(chu)了(le)電(dian)極(ji)材(cai)料(liao)
，該(gai)團(tuan)隊(dui)對(dui)電(dian)極(ji)結(jie)構(gou)也(ye)進(jin)行(xing)了(le)優(you)化(hua)和(he)比(bi)較(jiao)。與(yu)較(jiao)為(wei)普(pu)遍(bian)的(de)三(san)明(ming)治(zhi)夾(jia)層(ceng)式(shi)石(shi)墨(mo)烯(xi)電(dian)極(ji)相(xiang)比(bi)


，光(guang)刻(ke)得(de)到(dao)的(de)平(ping)麵(mian)石(shi)墨(mo)烯(xi)電(dian)極(ji)具(ju)有(you)更(geng)加(jia)優(you)越(yue)的(de)電(dian)容(rong)性(xing)能(neng)。而(er)且(qie)，相(xiang)同(tong)麵(mian)積(ji)的(de)石(shi)墨(mo)烯(xi)，手(shou)指(zhi)交(jiao)叉(cha)形(xing)狀(zhuang)的(de)微(wei)型(xing)電(dian)極(ji)數(shu)量(liang)越(yue)多(duo)
，電(dian)容(rong)器(qi)的(de)性(xing)能(neng)就(jiu)越(yue)好(hao)。

 

同(tong)時(shi)，該(gai)團(tuan)隊(dui)還(hai)首(shou)次(ci)提(ti)出(chu)了(le)一(yi)種(zhong)由(you)納(na)米(mi)二(er)氧(yang)化(hua)矽(gui)和(he)離(li)子(zi)液(ye)體(ti)混(hun)合(he)構(gou)成(cheng)的(de)新(xin)型(xing)固(gu)態(tai)電(dian)解(jie)質(zhi)。與(yu)傳(chuan)統(tong)固(gu)態(tai)電(dian)解(jie)質(zhi)相(xiang)比(bi)，該(gai)電(dian)解(jie)質(zhi)可(ke)以(yi)數(shu)倍(bei)提(ti)高(gao)電(dian)容(rong)器(qi)的(de)容(rong)量(liang)及(ji)耐(nai)用(yong)時(shi)間(jian)，該(gai)方(fang)麵(mian)的(de)性(xing)能(neng)甚(shen)至(zhi)可(ke)以(yi)和(he)薄(bo)膜(mo)型(xing)的(de)鋰(li)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)相(xiang)媲(pi)美(mei)。

 

因此
，這種新穎的石墨烯微型電容器有望作為MEMS係統、便攜式電子設備
、無線傳感網絡
、柔性顯示器、電子報紙，及其多種生物體內電子設備的儲能器件得到應用。

 

以電池驅動的電動汽車雖然具有良好的生態足跡，但也有許多特性使其無法成為傳統汽車最具吸引力的替代方案，例如價格負擔不起、續航裏程太短

、充chong電dian時shi間jian太tai長chang等deng。如ru果guo能neng以yi一yi種zhong更geng好hao的de電dian力li儲chu存cun方fang式shi取qu代dai笨ben重zhong又you龐pang大da的de電dian池chi
，就jiu能neng為wei電dian動dong汽qi車che排pai除chu掉diao這zhe些xie不bu太tai受shou歡huan迎ying的de特te性xing。根gen據ju歐ou洲zhou一yi項xiang研yan究jiu計ji的de結jie果guo顯xian示shi
，高gao容rong量liang的de超chao級ji電dian容rong器qi可ke望wang成cheng為wei一yi項xiang理li想xiang的de替ti代dai方fang案an。

 

在這項名為“ElectroGraph”deyanjiujihuazhong，laiziyanjiujigouyuyejiedeshiweihezuohuobangongtongkaifachuyikuanbixianyouchaojidianrongqijuyougenggaochucunxingnengdechuangxinchaojidianrongqi。yideguoyanjiujigouFraunhofer IPA為主導的研究團隊們基於這樣的研究前提：電容器容量的增加與電極的可用區域成正比。因此
，研究人員們針對一種具有前景的納米材料進行探索──具有更高表麵積/單位體積（m2/g）的石墨烯。實際上
，石墨烯由於具有高達每克（g）約2
，600平方公尺（m2/g）的“內部表麵積”
，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
，大幅增加了電極表麵。電極之間的空間則在離子液體的基礎上以液體電解質加以填充。“基於石墨烯的電極結合離子電解質，形成了理想的材料組合

，”在Fraunhofer主導這項計劃的Carsten Glanz解釋。

 

事實上，並不是隻有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製造方法──讓納米材料的理論上可用麵積變得實際可用。這方法避免石墨烯薄層之間彼此相連而導致儲存麵積減少
，從而影響了可儲存的能量。

根據Glanz表示，在這項研究中所發現的電極可提供較目前超級電容器所用的商用電極更多75%dechucunrongliang。yanjiurenyuanmenshenxin


，zaiweilaidediandongqiche
，dianchijianghuilianjiedaofenbuzaizhengbuqichezhongdeduogechaojidianrongqi。zhexiechaojidianrongqikechucunyongyuzhixingHVAC 、導(dao)航(hang)係(xi)統(tong)或(huo)電(dian)動(dong)後(hou)視(shi)鏡(jing)所(suo)需(xu)的(de)電(dian)能(neng)，有(you)效(xiao)地(di)降(jiang)低(di)電(dian)池(chi)負(fu)載(zai)，以(yi)及(ji)作(zuo)為(wei)卸(xie)除(chu)電(dian)池(chi)的(de)緩(huan)衝(chong)儲(chu)存(cun)，特(te)別(bie)是(shi)當(dang)馬(ma)達(da)被(bei)啟(qi)動(dong)時(shi)。因(yin)此(ci)，未(wei)來(lai)也(ye)能(neng)能(neng)隻(zhi)需(xu)較(jiao)小(xiao)型(xing)的(de)電(dian)池(chi)即(ji)可(ke)。

 

研究團隊們開發出一款展示係統──這是一款位於汽車外部後視鏡中的超級電容器，它可在調整汽車後視鏡時供電。

 

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
、複旦大學、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(li)如(ru)，清(qing)華(hua)大(da)學(xue)科(ke)研(yan)人(ren)員(yuan)成(cheng)功(gong)製(zhi)備(bei)了(le)具(ju)有(you)高(gao)倍(bei)率(lv)特(te)性(xing)的(de)三(san)維(wei)石(shi)墨(mo)烯(xi)微(wei)型(xing)超(chao)級(ji)電(dian)容(rong)器(qi)
，中(zhong)科(ke)院(yuan)蘭(lan)州(zhou)化(hua)物(wu)所(suo)科(ke)研(yan)人(ren)員(yuan)在(zai)國(guo)際(ji)上(shang)首(shou)次(ci)發(fa)現(xian)石(shi)墨(mo)烯(xi)量(liang)子(zi)點(dian)具(ju)有(you)極(ji)好(hao)的(de)電(dian)容(rong)特(te)性(xing)

，以(yi)其(qi)為(wei)電(dian)極(ji)材(cai)料(liao)製(zhi)備(bei)的(de)微(wei)型(xing)電(dian)容(rong)器(qi)具(ju)有(you)極(ji)好(hao)的(de)倍(bei)率(lv)特(te)性(xing)和(he)頻(pin)率(lv)響(xiang)應(ying)特(te)性(xing)。

 

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、yuzhixiangpipeidedianjieyeyijikexuehelidedianjijiegou。dianjicailiaofangmian
，tandianjidedaodianxingjixunhuanwendingxinghao

，erjinshuyanghuawuzekeyicunchugengduodedianhe，yinci，liangzhedeyouxiaojiehejianghuigouchengfeichanglixiangdedianjicailiao。

 

電解液方麵
，離子液體可以顯著提高電容器器件的工作電壓、充chong放fang電dian持chi續xu時shi間jian以yi及ji使shi用yong溫wen度du範fan圍wei。微wei型xing電dian極ji結jie構gou方fang麵mian
，將jiang電dian極ji做zuo成cheng立li體ti三san維wei結jie構gou可ke獲huo得de更geng大da的de表biao麵mian積ji，有you利li於yu負fu載zai更geng多duo的de電dian極ji活huo性xing物wu質zhi以yi及ji保bao證zheng活huo性xing物wu質zhi的de充chong分fen利li用yong，從cong而er有you利li於yu改gai善shan電dian容rong器qi電dian荷he存cun儲chu性xing能neng。

 

因此，以石墨烯—納(na)米(mi)金(jin)屬(shu)氧(yang)化(hua)物(wu)複(fu)合(he)材(cai)料(liao)作(zuo)為(wei)電(dian)化(hua)學(xue)活(huo)性(xing)材(cai)料(liao)，輔(fu)之(zhi)以(yi)結(jie)構(gou)合(he)理(li)的(de)三(san)維(wei)電(dian)極(ji)
，並(bing)選(xuan)擇(ze)合(he)適(shi)的(de)離(li)子(zi)液(ye)體(ti)電(dian)解(jie)液(ye)，就(jiu)有(you)望(wang)實(shi)現(xian)製(zhi)備(bei)兼(jian)具(ju)傳(chuan)統(tong)電(dian)容(rong)器(qi)和(he)鋰(li)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)雙(shuang)重(zhong)優(you)勢(shi)的(de)儲(chu)能(neng)器(qi)件(jian)，這(zhe)將(jiang)會(hui)成(cheng)為(wei)未(wei)來(lai)該(gai)領(ling)域(yu)的(de)一(yi)個(ge)重(zhong)要(yao)研(yan)究(jiu)發(fa)展(zhan)方(fang)向(xiang)。

 

此外，繼續尋求快速有效且成本低廉的微型電極製造技術、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重點。