石墨烯制成的超級(jí)電容器將取代電池

1、俄亥俄州代頓市Nanotek Instruments公司新研制的石墨烯超級(jí)電容器，單位質(zhì)量可儲(chǔ)存的能量相當(dāng)于鎳氫電池，打破了世界紀(jì)錄，而且充電或放電只需要短短幾分鐘、甚至幾秒鐘，有望取代電池。相關(guān)研究論文發(fā)表在Nano Letter上。 該超級(jí)電容器電極的制備采用了石墨烯，混合5%的超級(jí)P(一種乙炔黑，作用相當(dāng)于導(dǎo)電添加劑)和10%的聚四氟乙烯(PTFE)結(jié)合劑。研究人員把產(chǎn)生的懸浮液涂在集電器表面，把硬幣大小的電容器安裝在隔離箱里。電解質(zhì)-電極界面的制備，采用了“Celguard隔膜-3501”，而電解液是一種化學(xué)品，叫做EMIMBF4。 該公司對(duì)硬幣大小超級(jí)電容器的測(cè)試表明，石墨烯電極的超

2、級(jí)電容器的能量密度為85.6 Wh/kg，而鎳氫電池和鋰離子電池分別為40-100 Wh/kg和120 Wh/kg，這是有史以來(lái)基于碳納米材料的雙電層超級(jí)電容器所達(dá)到的最高值。研究小組成員還包括來(lái)自Angstron材料研究所的科學(xué)家，他們正在努力工作以進(jìn)一步提高超級(jí)電容器的能量密度。電容器電極材料研制方面取得系列進(jìn)展。超級(jí)電容器是介于傳統(tǒng)物理電容器和電池之間的一種新型儲(chǔ)能器件，具有綠色環(huán)保、充電時(shí)間短、使用壽命長(zhǎng)和工作溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，其核心部件是性能優(yōu)異的電極材料。石墨烯片（GS），作為一種新型的碳材料，具有良好的導(dǎo)電性和大的比表面積，預(yù)計(jì)將其作為超級(jí)電容器的電極材料具有廣闊的應(yīng)用前景。但是

3、純石墨烯表面缺少功能基團(tuán)導(dǎo)致其很難與其它材料復(fù)合或在器件上進(jìn)行組裝，從而限制了其深入應(yīng)用。因此，對(duì)石墨烯表面進(jìn)行化學(xué)修飾以便于獲得各種功能復(fù)合材料是當(dāng)前研究的一個(gè)熱點(diǎn)。 圖1： 不同PANi含量的PSS-GS/PANi“紙”電極（左）和PSS-GS與PANi納米纖維之間的靜電吸附示意圖（右）圖2 ：PSS-GS與二氧化錳在基底上的層層自組裝示意圖固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究人員利用化學(xué)修飾后的石墨烯（PSS-GS）與聚苯胺（PANi）納米纖維之間的靜電吸附作用，制備了PSS-GS/PANi復(fù)合材料膠體溶液，然后抽慮成膜得到了柔性的PSS-GS/PANi復(fù)合“紙”電極材料。另外，以PSS-GS和二

4、氧化錳（MnO2）片為結(jié)構(gòu)構(gòu)筑單元，以聚電解質(zhì)為粘結(jié)劑，通過(guò)層層自組裝技術(shù)在導(dǎo)電基片（ITO）上進(jìn)行組裝得到了多層復(fù)合薄膜電極。電化學(xué)性能測(cè)試表明所制備的“紙”電極和多層復(fù)合薄膜電極都具有高的比電容和優(yōu)異的循環(huán)壽命性能，具有很好的應(yīng)用前景。煤和石油作為儲(chǔ)量有限的化石能源面臨著污染嚴(yán)重、來(lái)源枯竭的困境。一個(gè)多世紀(jì)的以化石能源提供動(dòng)力的工業(yè)發(fā)展，使地球的環(huán)境惡化、資源過(guò)度開(kāi)采。為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性的發(fā)展，開(kāi)發(fā)綠色能源模式顯得尤為重要。國(guó)家中長(zhǎng)期技術(shù)發(fā)展綱要中，把超級(jí)電容器關(guān)鍵材料及制備技術(shù)作為一個(gè)重要組成部分列入了前沿新材料技術(shù)研究范疇。（摘自中國(guó)科學(xué)院金屬研究所一種石墨烯基柔性超級(jí)電容器及其電極材料

5、的制備方法專利說(shuō)明書）上海奧威科技開(kāi)發(fā)有限公司是車用超級(jí)電容器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定者上海奧威科技開(kāi)發(fā)有限公司在其高比容量有機(jī)混合型超級(jí)電容器負(fù)極材料及其制備方法專利說(shuō)明書中說(shuō)：上述專利和文獻(xiàn)報(bào)道的技術(shù)，存在如下缺點(diǎn)：1)密度低，電極成型密度均低于0.7g/cm3，2)比容量低，小于500F/g，大部分比容量在100-250F/g之間，嚴(yán)重限制了超級(jí)電容電池的能量密度。理論研究表明：炭材料最大可利用的表面積為：2664m2/g，石墨烯片上的容量為0.2F/m2，其邊緣比容量為石墨烯片上的20倍。如果僅利用石墨烯片上的容量，其最大物理比容量為：533F/g。一般來(lái)說(shuō)，稠環(huán)芳烴及其混合物直接炭化把有機(jī)物轉(zhuǎn)

6、化為炭材料時(shí)，需經(jīng)歷液相炭化過(guò)程，所形成的石墨烯片尺寸較大，可達(dá)幾十甚至幾百納米，然而由于石墨烯片的分子間作用力與其大小成正比，離子很難在大尺寸石墨烯片間形成雙電層。另外，由于石墨烯片大，邊緣碳原子的比例小，因此，其比容量很低。通過(guò)以上的描述我們可知石墨烯面積大制成的石墨烯超級(jí)電容器反而比容量低中國(guó)科學(xué)院金屬研究所的一種石墨烯基柔性超級(jí)電容器及其電極材料的制備方法專利說(shuō)明書中顯示他們是以大面積石墨烯薄膜來(lái)制造石墨烯超級(jí)電容器，制成的石墨烯超級(jí)電容器比容量在130-240F/g，確實(shí)比較低，這與上海奧威科技開(kāi)發(fā)有限公司專利說(shuō)明書上的說(shuō)法一致而瞿研的石墨烯正是小面積的石墨烯粉末，用其制造石墨烯超級(jí)

7、電容器比電容將會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于大面積石墨烯薄膜制造的石墨烯超級(jí)電容器因此，力合石墨烯超級(jí)電容器比中科院金屬所的石墨烯超級(jí)電容器強(qiáng)石墨烯片上的容量為0.2F/m2，其邊緣比容量為石墨烯片上的20倍。如果僅利用石墨烯片上的容量，其最大物理比容量為：533F/g。那么石墨烯片的邊緣最大物理比容量即為10660F/g，替代鋰電池已經(jīng)不成問(wèn)題。浸漬技術(shù)改進(jìn)超級(jí)電容器更新：2011-10-08 12:57:32 來(lái)源：麻省理工科技創(chuàng)業(yè)碳納米管石墨烯制成的電極，能量密度都是每公斤155瓦時(shí)，可媲美鎳氫電池。一個(gè)簡(jiǎn)單的竅門，可以提高先進(jìn)超電容器或超級(jí)電容器存儲(chǔ)電荷的性能。這項(xiàng)技術(shù)是由斯坦福大學(xué)（Stanford U

8、niversity）的研究人員開(kāi)發(fā)的，可以使用新型納米電極材料，儲(chǔ)存更多能量。雖然超級(jí)電容器可提供快速能量爆發(fā)，而且充電次數(shù)比電池多很多，不會(huì)喪失它們的存儲(chǔ)容量，但是，它們可存儲(chǔ)能量只有電池的十分之一，這就限制了它們的應(yīng)用。為了提高它們的能量密度，研究人員集中使用具有更大表面積的電極材料，如石墨烯和碳納米管，它們可容納更多攜帶電荷的離子。斯坦福大學(xué)的研究小組是由崔毅（Yi Cui）和包哲南（Zhenan Bao）領(lǐng)導(dǎo)，他們用的復(fù)合電極，是用石墨烯和錳氧化物制成。錳氧化物被認(rèn)為是一種有吸引力的電極材料，因?yàn)椤笆紫?，錳是豐富的，所以它的成本非常低，”崔毅說(shuō)?！八灿休^高的理論容量，可以存儲(chǔ)離子，用

9、于超級(jí)電容器?！比欢?，在過(guò)去，它的使用受限于低導(dǎo)電性，這使得輸送離子進(jìn)出這種材料都很困難。研究人員浸泡了這種復(fù)合電極，就浸泡在碳納米管溶液中，或?qū)щ娋酆衔锶芤褐?。這種涂層提高了電極的導(dǎo)電性，因而也提高了它們的電容，就是存儲(chǔ)電荷的能力，分別提高了20和45。研究人員報(bào)道了他們的成果，論文在線發(fā)表在納米快報(bào)（Nano Letters）雜志上。“這是一個(gè)重要的進(jìn)步，” 秦路暢（Lu-Chang Qin）說(shuō)，他是教堂山（Chapel Hill）北卡羅來(lái)納大學(xué)（University of North Carolina）物理學(xué)教授，最近開(kāi)發(fā)出類似的石墨烯-錳氧化物電極。這些結(jié)果“有望帶來(lái)新一代超級(jí)電容器，

10、” 秦路暢說(shuō)。不過(guò)，他指出，斯坦福大學(xué)的研究小組還沒(méi)有測(cè)量新電極的能量密度。秦路暢與日本研究人員合作，用碳納米管石墨烯制成電極。這些電極的能量密度都是每公斤155瓦時(shí)，可媲美鎳氫電池（nickell hydride batteries）。江博爾（Bor Jang）是納米技術(shù)及儀器公司（Nanotek Instruments）的創(chuàng)始人之一，這家公司在俄亥俄州（Ohio）代頓（Dayton），制作石墨烯電極，用于超級(jí)電容器，他說(shuō)，這種新電極可能缺乏能量密度。此外，他說(shuō)，“結(jié)合石墨烯、鋅錳和導(dǎo)電聚合物或碳納米管，可能會(huì)超量毀傷?！逼渌艘讶〉酶叩枚嗟碾娙輸?shù)值，用的是石墨烯金屬氧化物或?qū)щ娋酆衔镫姌O。

11、然而，崔毅說(shuō)，最令人興奮的是，這項(xiàng)新成果是這樣一種簡(jiǎn)單的浸漬技術(shù)，可以提高電容。他說(shuō)，可用這項(xiàng)技術(shù)改善導(dǎo)電性的，還有其他電極材料，如硫，硅和磷酸鋰錳（lithium manganese phosphate），從而可以提高鋰離子電池的性能。崔毅和他的同事正努力改善電池電極，使用的就是這種新方法。能量密度都是每公斤155瓦時(shí)，可媲美鎳氫電池，這實(shí)際上已經(jīng)超過(guò)了鋰電池?；钚允┲苽涑?jí)電容器使用氫氧化鉀重組化學(xué)上改進(jìn)的石墨烯薄片，研制各種形式的“活性炭”，它們有孔隙，可增加表面積，提高存儲(chǔ)容量，制成超級(jí)電容器。蘇東和埃里克斯塔奇使用強(qiáng)大的電子顯微鏡，分析的樣品是活性石墨烯，他們?cè)诓剪斂撕Ｎ膰?guó)家實(shí)驗(yàn)

12、室的功能納米材料中心進(jìn)行研究。斯塔奇說(shuō)：“功能納米材料中心提供方便，世界各地的科學(xué)家都可以解決納米科學(xué)和納米技術(shù)的前沿問(wèn)題。這項(xiàng)工作正是這個(gè)設(shè)施要做的事?！眮?lái)源：布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室美國(guó)能源部布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Brookhaven National Laboratory）的科學(xué)家協(xié)助揭示了納米尺度結(jié)構(gòu)的新形態(tài)碳，有助于解釋為什么這種新材料的作用就像超級(jí)吸水的海綿，當(dāng)它吸納電荷時(shí)就是這樣。這種材料日前被創(chuàng)造出來(lái)，研發(fā)者是奧斯汀（Austin）得克薩斯大學(xué)（University of Texas），這種材料可用于“超級(jí)”儲(chǔ)能設(shè)備，具有非常高的存儲(chǔ)容量，同時(shí)保留其他優(yōu)秀屬性，比如超高速能量釋放，

13、快速充電時(shí)間，使用壽命至少有1萬(wàn)個(gè)充/放電周期。“這些特性使這種新形態(tài)的碳特別有吸引力，可以滿足電能儲(chǔ)存需求，這也需要快速釋放能量，例如，在電動(dòng)汽車上，也要理順間歇性能源的電力供應(yīng)，這些能源比如風(fēng)力和太陽(yáng)能發(fā)電，”布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的材料科學(xué)家埃里克斯塔奇（Eric Stach）說(shuō)，他聯(lián)合撰寫了論文，描述這種材料，發(fā)表在科學(xué)上，時(shí)間是2011年5月12日。原子分辨率電子顯微鏡圖像顯示的活性石墨烯，表明這種材料包含單一片狀結(jié)晶碳，高度彎曲，形成一種三維多孔網(wǎng)絡(luò)，來(lái)源：布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室超級(jí)電容器類似電池，因?yàn)閮烧叨即鎯?chǔ)電荷。電池需要化學(xué)反應(yīng)，就是金屬電極和液體電解質(zhì)之間的反應(yīng)。由于這些化學(xué)物

14、質(zhì)需要時(shí)間來(lái)進(jìn)行反應(yīng)，因此，能量?jī)?chǔ)存和釋放相對(duì)緩慢。但電池可以儲(chǔ)存大量的能量，釋放需要相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間。另一方面，超級(jí)電容器存儲(chǔ)電荷的形式是離子，在電極表面存儲(chǔ)，類似靜電，而不是依靠化學(xué)反應(yīng)。充電電極導(dǎo)致離子在電解液中分離，也叫兩級(jí)化，這樣，電荷就被存儲(chǔ)在連接處，就是電極與電解液之間的交界處?？紫对陔姌O上增加了表面面積，在這上面，電解質(zhì)可以流動(dòng)和互動(dòng)，這就提高了能量的儲(chǔ)存。但是，由于大多數(shù)超級(jí)電容器不能像電池那樣存儲(chǔ)同樣多的電荷，它們的使用就局限于一些地方，就是少量能量的迅速需求，或很長(zhǎng)的使用壽命必不可少的地方，比如移動(dòng)電子設(shè)備中。這種新材料的開(kāi)發(fā)者是奧斯汀德克薩斯大學(xué)研究人員，這種材料可以改

15、變這一點(diǎn)。它制成的超級(jí)電容器具有的能量存儲(chǔ)容量，或能量密度，接近鉛酸電池，同時(shí)保留了高功率密度，也就是快速能量釋放，這是超級(jí)電容器的特點(diǎn)?！斑@種新材料結(jié)合了兩種電力儲(chǔ)存系統(tǒng)的屬性，”得克薩斯大學(xué)小組領(lǐng)導(dǎo)羅德尼魯夫（Rodney Ruoff）說(shuō)?！拔覀凅@嘆它出色的表現(xiàn)?！眾W斯汀德克薩斯大學(xué)小組已經(jīng)著手創(chuàng)造更具多孔形態(tài)的碳，他們使用氫氧化鉀（potassium hydroxide）重組化學(xué)上改進(jìn)了的石墨烯薄片，這種薄片就是一種形態(tài)的碳，其中的原子排列為瓦狀環(huán)，平鋪形成單原子厚的薄片。這種“化學(xué)激活”先前曾用來(lái)研制各種形式的“活性炭”，它們有孔隙，可增加表面積，用于過(guò)濾器和其他地方，包括超級(jí)電容器。

16、但是，由于這種新形式的碳是如此優(yōu)越，勝過(guò)其他用于超級(jí)電容器的材料，奧斯汀德克薩斯大學(xué)的研究人員知道，他們表征這種結(jié)構(gòu)需要在納米尺度進(jìn)行。魯夫形成了一個(gè)假設(shè)，就是材料包含連續(xù)三維多孔網(wǎng)絡(luò)和單原子厚的壁，具有一個(gè)重要部分，就是“負(fù)曲率碳”（ negative curvature carbon），類似外翻式巴基球（buckyballs）。他去找布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的斯塔奇，協(xié)助進(jìn)一步從結(jié)構(gòu)上表征，以驗(yàn)證或反駁這個(gè)假設(shè)。斯塔奇和布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的同事蘇東（Dong Su）進(jìn)行了廣泛的研究，場(chǎng)所有實(shí)驗(yàn)室的功能納米材料中心，國(guó)家同步輻射光源（National Synchrotron Light Source），以及勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Berkeley National Laboratory）的國(guó)家電子顯微鏡中心，三個(gè)設(shè)施的支持者都是能源部科學(xué)辦公室?！霸诿绹?guó)能源部實(shí)驗(yàn)室，我們?cè)谑澜缟戏直媛首罡叩娘@微鏡，我們真正全面地刻畫了這種原子的結(jié)構(gòu)，”斯塔奇說(shuō)?！拔覀兊难芯匡@示，魯夫的假設(shè)其實(shí)是正確的，這種材料的三維納米結(jié)構(gòu)包含網(wǎng)絡(luò)，屬于高度彎曲的單原子厚的壁，會(huì)形成微小孔隙，孔隙寬度范圍是1至5納米，或十億分之一米?！毖芯?jī)?nèi)容包括詳細(xì)圖示的細(xì)微孔隙結(jié)構(gòu)和碳壁本身，這些圖像也表