高性能石墨烯微型超級(jí)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(jié)構(gòu)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(yōu)異特性，如超薄、高導(dǎo)電性、高比表面積、高比容量，是制備微型超級(jí)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(xué)儲(chǔ)能器件，是便攜式電子器件和體內(nèi)電子器件快速發(fā)展的迫切需求。作為電化學(xué)能源存儲(chǔ)領(lǐng)域的前沿研究方向之一，微型超級(jí)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(nèi)，對(duì)微型超級(jí)電容器的研究尚處于起步階段，但由于其具備極大的發(fā)展?jié)摿Γ�被認(rèn)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(shí)現(xiàn)其工業(yè)應(yīng)用。為了發(fā)展高性能的微型超級(jí)電容器：首先，發(fā)展新型的形貌和結(jié)構(gòu)可控的石墨烯及其復(fù)合材料是關(guān)鍵，同時(shí)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(xù)發(fā)展高效、低成本、大面積生產(chǎn)薄膜的技術(shù)(如屏幕印刷、噴墨打印、激光刻繪)，獲得形貌連續(xù)、孔隙發(fā)達(dá)、高導(dǎo)電性的薄膜電極;最后，微型超級(jí)電容器器件結(jié)構(gòu)的整體優(yōu)化，需要兼顧電極、隔膜、電解液和基板之間的界面融合，優(yōu)化高分辨率平面交叉電極結(jié)構(gòu)和微電極主要幾何參數(shù)，包括微電極的寬度、長度、數(shù)目和電極間隙。
　由德國馬普學(xué)會(huì)高分子研究所吳忠?guī)洸┦�、馮新亮教授和中國科學(xué)院金屬研究所成會(huì)明研究員共同撰寫的綜述文章“芯片儲(chǔ)能用石墨烯基平面微型超級(jí)電容器的研究進(jìn)展”已在《國家科學(xué)評(píng)論》2014年第2期發(fā)表。這篇綜述性論文簡述了微型超級(jí)電容器的發(fā)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(jí)電容器方面的電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與組裝構(gòu)建基本原理，并重點(diǎn)介紹了典型的芯片儲(chǔ)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(diǎn)、及其復(fù)合材料)的控制制備與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，代表性微型超級(jí)電容器的微納加工技術(shù)(包括光刻、電化學(xué)沉積、激光刻繪、噴墨打印等)、電解液選擇(包括水系、有機(jī)系、離子液體和固態(tài)電解液)、微型器件構(gòu)型組裝(對(duì)稱與非對(duì)稱)等方面的最新研究進(jìn)展，并展望了這類器件的未來發(fā)展趨勢。
　近年來成會(huì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及新型儲(chǔ)能器件等方面開展的深入研究。例如，成會(huì)明研究員課題組設(shè)計(jì)制備出一種石墨烯/纖維素三維網(wǎng)狀復(fù)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(tuán)聚，并具有快速輸運(yùn)電解液離子的通道。由該柔性復(fù)合材料裁剪成的梳型電極的平面超級(jí)電容器可任意折疊、卷曲成各種形狀，可滿足射頻標(biāo)簽等微功率應(yīng)用的需要。
　馮新亮教授課題組開發(fā)出一系列小型化、柔性化、平面化、高性能石墨烯微型超級(jí)電容器。該課題組利用甲烷等離子體實(shí)現(xiàn)了氧化石墨烯薄膜的高效還原，結(jié)合微加工光刻技術(shù)和電容器組裝技術(shù)制備出超薄、柔性、全固態(tài)平面型微超級(jí)電容器。獲得的微超級(jí)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(dá)到1000V/s。該研究發(fā)現(xiàn)，增加平面交叉微電極的數(shù)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(zhì)原子(硼、氮)共摻雜，可進(jìn)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(jí)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(gòu)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(guī)電容器快1000倍以上的新型儲(chǔ)能器件，即有望在毫秒時(shí)間內(nèi)完成對(duì)特定微器件充電。
 
(責(zé)任編輯：王杰)