石墨烯基超級電容器研究

摘 要：石墨烯是一種單原子層石墨材料，其晶格是碳原子構成的二維蜂巢結構。石墨烯由于無毒、化學和熱穩定性極高、高電子遷移率及超高強度，因而具有重要的科學意義和廣泛的應用價值。目前已有幾種生產石墨烯的方法，但大量生產石墨烯的方法有待于更進一步開發研究，以及在此基礎上有望開發出高性能的石墨烯基超級電容器。

關鍵詞：石墨烯；超級電容器；新能源材料；還原型石墨烯

1 引言

能源成為影響人類社會穩定和可持續性發展的最主要因素之一，開發新能源已成為當今社會需要解決的首要任務。高性能電池是市場和環保急需的新能源，它不但可以滿足便攜式電子產品的需要，也可以為汽車提供新型能源。對汽車動力用電池的要求是高能量密度、高效率、長壽命和低成本。超級電容器是一種新型儲能原件，性能介于電解電容器與可充電電池之間。超級電容器具有功率密度大、充放電速率快、循環壽命長、對環境友好等優點，在軍事、航天、太陽能光伏發電供電系統及照相手機、數碼相機等領域中有著廣泛的應用。因此，開發出具有高能量、高效率、使用壽命長和低成本的超級電容器是目前的熱點。

2 石墨烯超級電容器研究進展

石墨烯做超級電容器的電極材料有望提高電容器的性能，產生重要的實際價值。石墨烯是一種單原子層石墨材料，其晶格是碳原子構成的二維蜂巢結構。2004 年， Novoselov等[1]第一次用機械剝離法獲得單層和2～3層石墨烯片層，發現可在空氣環境中穩定地存在，發現單層石墨烯具有非常高的電子和空穴濃度達1013cm-2，室溫遷移率可達10000cm2/Vs。石墨烯的問世引起了全世界的研究熱潮。它不僅是已知材料中最薄的一種，還非常牢固堅硬；作為單質，它在室溫下傳遞電子的速度比已知導體都快。它也具有高的導熱性，超高的力學強度，比鉆石還堅硬，強度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍，高的化學和熱穩定性。目前有三種方法制備石墨烯，一種是加熱SiC的方法[2]， 另一種是輕微摩擦法或撕膠帶法[3]，第三種是化學分散法[3]。但是大量可控制備石墨片的方法還有待于進一步開發研究。

最近，Yoo等[4]報道了在溶液中制備石墨烯，得到的石墨烯由數層堆積而成，若在制備過程中加入碳納米管和富勒烯，就得到另兩種摻雜材料。測試鋰離子電池性能發現石墨烯材料（540mAh/g）比石墨（372mAh/g）具有顯著提高的可逆電容量，而且經過摻雜處理的材料具有更高的電容量，其中碳納米管與石墨烯的復合材料電容量高達730mAh/g，C60與石墨烯的復合材料的電容量高達784mAh/g，并且研究發現石墨烯層數越少，層間距越大，越容易摻雜提高電池性能。因此，石墨烯材料在電池電極材料應用方面顯示出了誘人的前景，但目前的石墨烯層數不可控，制備出尺寸可控的石墨烯材料并對其有效摻雜，有望開發出性能優異的超級電容器。

3 結束語

在超級電容器研究中，過渡金屬氧化物電極的比容量可達到碳電極材料的10～100倍，金屬氧化物電極材料在制備上采取摻雜、納米化等特殊處理，可以有比碳電極電容器更好的性能，有良好的發展前景。采用石墨烯大的比表面積和高的電導率，經金屬氧化物摻雜處理有望得到高能量密度、高效率、使用壽命長和低成本的石墨烯基超級電容器，為微納電子工業發展及汽車等機動設備和器件的發展提供重要的能源動力基礎。

參考文獻

[1]K. S. Novoselov， A. K. Geim， S. V. Morozov， et al.， Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films [J]. Science 2004， 306， 666～669.

[2]G. M. Rutter， J. N. Crain， N. P. Guisinger， et al.，Scattering and Interference in Epitaxial Graphene [J]. Science 2007， 219～222.

[3]Y. Hernandez， V. Nicolosi， M. Lotya， High-yield production of graphene by liquid-phase exfoliation of graphite [J]. Nature Nanotechnology 2008， 3， 563～568.

[4]E. J. Yoo， J. Kim， E. Hosono， et al.， Large Reversible Li Storage of Graphene Nanosheet Families for Use in Rechargeable Lithium Ion Batteries [J]. Nano Letters 2008， 8， 2277～2282.

通訊作者：臺國安（1978，12-），男，副教授，博士，研究方向：納功能材料和器件。