近十年超級(jí)電容器領(lǐng)域的重大突破

與傳統(tǒng)電容器相比，超級(jí)電容器具有更大的比電容、更高的能量密度、更長(zhǎng)的使用壽命等特點(diǎn)，而與鋰離子電池相比，超級(jí)電容器又具有更高的功率密度、更長(zhǎng)的使用壽命及綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。超級(jí)電容器在未來(lái)儲(chǔ)能器件領(lǐng)域占有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，在軍事、混合動(dòng)力汽車、智能儀表等諸多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

隨著社會(huì)的快速發(fā)展和人口的急劇增長(zhǎng)，資源消耗日益增加，能源危機(jī)迫在眉睫，因此，尋找清潔高效的新能源與能源存儲(chǔ)技術(shù)及裝置已成為備受關(guān)注的研究課題。與傳統(tǒng)電容器相比，超級(jí)電容器具有更大的比電容、更高的能量密度、更長(zhǎng)的使用壽命等特點(diǎn)，而與鋰離子電池相比，超級(jí)電容器又具有更高的功率密度、更長(zhǎng)的使用壽命及綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。超級(jí)電容器在未來(lái)儲(chǔ)能器件領(lǐng)域占有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，在軍事、混合動(dòng)力汽車、智能儀表等諸多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

超級(jí)電容器是一種介于傳統(tǒng)電容器和電池之間的新型儲(chǔ)能器件，通過(guò)在電極材料和電解質(zhì)界面快速的離子吸脫附或完全可逆的法拉第氧化還原反應(yīng)來(lái)存儲(chǔ)能量，根據(jù)儲(chǔ)能與轉(zhuǎn)化機(jī)制的不同可將超級(jí)電容器分為雙電層電容器(Electric double layer capacitors，EDLC)和法拉第準(zhǔn)電容器(又叫贗電容器，Pseudocapacitors)。雙電層電容器是建立在雙電層理論基礎(chǔ)之上的，1879年，Helmholz發(fā)現(xiàn)了電化學(xué)界面的雙電層電容性質(zhì);1957年，Becker申請(qǐng)了第一個(gè)由高比表面積活性炭作電極材料的電化學(xué)電容器方面的專利(提出可以將小型電化學(xué)電容器用做儲(chǔ)能器件);1962年，標(biāo)準(zhǔn)石油公司(SOHIO)生產(chǎn)了一種6V的以活性碳(AC)作為電極材料、以硫酸水溶液作為電解質(zhì)的超級(jí)電容器，1969年，該公司首先實(shí)現(xiàn)了碳材料電化學(xué)電容器的商業(yè)化;1979年，NEC公司開(kāi)始生產(chǎn)超級(jí)電容(Super CaPACitor)，開(kāi)始了電化學(xué)電容器的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用。隨著材料與工藝關(guān)鍵技術(shù)的不斷突破，產(chǎn)品質(zhì)量和性能不斷得到穩(wěn)定和提升，到了九十年代末開(kāi)始進(jìn)入大容量高功率型超級(jí)電容器的全面產(chǎn)業(yè)化發(fā)展時(shí)期。超級(jí)電容器作為電化學(xué)能源存儲(chǔ)領(lǐng)域的前沿研究方向之一，近十年內(nèi)有多個(gè)突破性工作，其發(fā)展也向著小型化、柔性化、平面化等方向發(fā)展。

石墨烯在實(shí)驗(yàn)室中是2004年被發(fā)現(xiàn)的，當(dāng)時(shí)英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈˙杰姆和克斯特亞˙諾沃消洛夫發(fā)現(xiàn)他們能用一種非常簡(jiǎn)單的方法得到越來(lái)越薄的石墨薄片。石墨烯具有優(yōu)異的電導(dǎo)性、超高的比理論表面積、穩(wěn)定的物理化學(xué)特性等特點(diǎn)，因此石墨烯基超級(jí)電容器具有優(yōu)異的電化學(xué)性能，如高的比容量、極長(zhǎng)的壽命、極小的阻力等。目前石墨烯基超級(jí)電容器研究成為儲(chǔ)能領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)，石墨烯基電極材料有望全面超越傳統(tǒng)碳材料而得到廣泛應(yīng)用。然而石墨烯團(tuán)聚導(dǎo)致的低表面積和長(zhǎng)離子傳輸路徑嚴(yán)重限制了石墨烯基電容器的應(yīng)用價(jià)值，因此人們一直致力于制備大比表面積、短離子傳輸路徑的石墨烯基電極材料。

圖1 商業(yè)超級(jí)電容器實(shí)物圖(a, b)，混合動(dòng)力汽車中的超級(jí)電容器電源(c)

在下面的內(nèi)容中，材料人網(wǎng)為大家推薦幾篇材料科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)超級(jí)電容器方向的ESI高被引文章，并按發(fā)文時(shí)間順序?qū)κ陙?lái)的優(yōu)秀文章內(nèi)容及其通訊作者加以介紹，旨在為讀者了解超級(jí)電容器高質(zhì)量文獻(xiàn)以及這一領(lǐng)域的研究團(tuán)隊(duì)提供便利。

文獻(xiàn)一Preparation and acterization of graphene oxide paper.

(Nature , 2007,DOI:10.1038/nature06016)被引頻次2551

圖2 氧化石墨烯紙的形態(tài)和結(jié)構(gòu)

自支撐的紙型和薄膜型材料已經(jīng)是當(dāng)今社會(huì)技術(shù)中的一部分，它們可以應(yīng)用在保護(hù)圈、化學(xué)濾器、電池和超級(jí)電容器的組分、粘結(jié)層以及分子存儲(chǔ)等方面，納米級(jí)的無(wú)機(jī)紙型材料(比如剝離的蛭石和云母板)已經(jīng)受到很多關(guān)注，而且已經(jīng)作為保護(hù)涂料、高溫粘結(jié)劑、介質(zhì)阻擋和氣體防滲膜等材料商業(yè)化。來(lái)源于巴奇紙的碳納米管顯示出優(yōu)異的機(jī)械和電子性能，使它可能應(yīng)用于燃料電池和結(jié)構(gòu)復(fù)合物。文章報(bào)道了一種氧化石墨烯紙的制備和表征，這種氧化石墨烯紙是單個(gè)氧化石墨烯片層定流控制制備的碳基膜材料。這種新型材料在剛度和強(qiáng)度上超過(guò)其他很多紙型材料，這種材料結(jié)合了宏觀上剛性和柔性兩種優(yōu)點(diǎn)，紙型的片層之間有很大的表面相互作用力，其褶皺也處于原子級(jí)別，褶皺形態(tài)處于亞微米級(jí)別，這些條件使材料的宏觀樣品具有高效的載荷分布，也使材料相比于傳統(tǒng)的碳基、黏土基紙更有彈性。類似于氧化石墨烯的廉價(jià)原始材料促進(jìn)了大面積紙型片層的制備，同時(shí)可以應(yīng)用于可控滲透過(guò)濾膜、各向異性離子導(dǎo)體、超級(jí)電容器、分子儲(chǔ)存材料等。石墨烯氧化紙也可以摻雜或作為物質(zhì)載體制備含有聚合物、陶瓷和金屬的混合材料。另外，分層的氧化石墨烯片層表面有許多化學(xué)官能團(tuán)使材料具有更多功能。

通訊作者Ruoff教授，2014年之前任美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校(University of Texas at Austin)材料科學(xué)與工程講席教授，現(xiàn)已通過(guò)韓國(guó)杰出科學(xué)家計(jì)劃引進(jìn)至韓國(guó)蔚山國(guó)立科技大學(xué)(UNIST)，擔(dān)任韓國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)研究院(Institute for Basic Science)多維碳材料研究研究中心(Center for Multidimensional Carbon Materials)主任。作為知名碳材料研究專家，Ruoff教授1988年在University of Illinois-Urbana獲得化學(xué)物理博士學(xué)位，1988-1989在Max Planck Institute fuer Stroemungsforschung任Fulbright Fellow。他曾經(jīng)于2002-2007年間在美國(guó)西北大學(xué)作為John Evans Professor并在該校的Biologically Inspired Materials Institute擔(dān)任Director。至今Ruoff教授已經(jīng)在化學(xué)、物理、材料科學(xué)、機(jī)械工程以及生物醫(yī)藥工程等領(lǐng)域發(fā)表超過(guò)360篇研究論文，并被Thomson Reuters評(píng)為2000-2010最頂尖的100名材料科學(xué)家之一(排名第16)。他是多家國(guó)際期刊的主編或者編委，并曾獲得多項(xiàng)國(guó)際學(xué)術(shù)界獎(jiǎng)項(xiàng)。Ruoff教授在材料領(lǐng)域尤其在碳納米材料領(lǐng)域有著深厚的造詣，曾經(jīng)在金剛石、富勒烯、納米碳管和石墨烯領(lǐng)域做出了多項(xiàng)杰出工作，在Science和Nature期刊上發(fā)表多篇文章。

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