石墨烯基超級電容器電極材料專利技術綜述

張芳

（國家知識產權局專利局專利審查協作湖北中心 湖北 武漢 430070）

摘 要： 石墨烯基超級電容器電極材料，其廣闊的應用前景已經引起國內外極大的關注。為了更全面的把握石墨烯基電極材料專利申請態勢，本文綜述了石墨烯基電極材料專利發明的技術演進，重要申請人的研究熱點，作者試圖對電極材料進行分類，分析不同種類電極材料的優缺點，從不同角度歸納電極材料性能的影響因素。

關鍵詞： 超級電容器；電極材料；石墨烯

1 超級電容器基本原理

超級電容器，介于常規電容器與二次電池之間的一種新型儲能器件，其比容量為傳統電容器的20-200倍，比功率一般大于1000 W/kg，電極循環壽命大于105次，同時兼有常規電容器功率密度大和二次電池能量密度高的優點。

超級電容器的構成主要包括電極材料（活性物質、導電劑、粘合劑）、集流體、隔膜、電解液。

根據儲能形式的不同，超級電容器可分為雙電層電容器和贗電容電容器（法拉第準電容器）。雙電層電容器基于雙電層理論。贗電容電容器則基于法拉第過程。影響超級電容器的電化學性能的主要因素為超級電容器的電極材料，超級電容器電極材料主要包括：碳材料、導電聚合物材料及金屬氧化物材料，以及上述材料的復合材料。石墨烯 （Graphene）是一種碳原子緊密堆積成的單層蜂窩狀晶格結構的新型碳材料，被稱為單層石墨，其厚度為0.34 nm，被認為是零維富勒烯、一維碳納米管和三維石墨的基本結構單元。

2 專利申請情況分析

檢索中，中文數據庫選擇CNABS，外文數據庫選擇VEN。采用以關鍵詞為主、分類號為輔的檢索方式。檢索關鍵詞包括：石墨烯、石墨、超級電容器、電極材料、graphe#e+、graphite+、super 1w capactor+、electrode material+。檢索涉及的分類號集中在H01B、H01M以及H01G這幾個小類中。

3 技術主題分析

3.1 全球石墨烯基超級電容器電極材料專利申請趨勢

全球近10年的專利申請量如圖1所示，可以看出2006-2007年的申請量偏少，2008-2011年出現了申請量的急劇增加，2012年出現了申請量的最大值，2013-2014年申請量有減少的趨勢，這種現象可能是由于近兩年申請的專利還未完全公開，中國的申請量隨時間的變化同全球申請量變化趨勢一致。

3.2 全球主要國家及地區專利申請量分布

申請量最多的是中國，占這一領域申請的59.48%，可以看出中國在儲能材料領域占有絕對優勢；其次是美國，而WO及其他國家對石墨烯基超級電容器電極材料這一領域的研究力量投入尚不多，研發實力較薄弱。

3.3 全球重要申請人分析

國內的海洋王照明科技股份有限公司、中國科學院金屬研究所、美國的JANG B Z個人、三星電子有限公司、浙江大學的申請量排名比較靠前。

海洋王照明科技股份有限公司在石墨烯基超級電容器電極材料領域投入了較多的研究力量，該公司在石墨烯基超級電容器電極材料的研究方向根據電極材料的種類主要分為：特殊原子摻雜的石墨烯或石墨烯材料、石墨烯-碳材料、石墨烯-聚合物、石墨烯-金屬材料等。（JANG-I） JANG B Z作為美國具有代表性的個人申請，其在石墨烯的制備，石墨烯、氧化石墨烯作為超級電容器電極材料以及超級電容器的成品組裝方面進行了一系列研究。三星電子有限公司其研究重點在于石墨烯材料的微觀調控、超級電容器的組裝以及工業化應用方面，可以看出國外公司的研究更注重石墨烯材料的產業化應用。

3.4 石墨烯基電極材料的研究發展趨勢

石墨烯基超級電容器電極材料的研究起初，最核心技術在于石墨烯的制備。石墨烯基超級電容器電極材料的研究第二階段為一元石墨烯基超級電容器電極材料，是指直接將石墨烯或者改性后的石墨烯作為超級電容器電極材料。石墨烯基超級電容器電極材料的研究第三階段為二元石墨烯復合電極材料，是將石墨烯與導電聚合物、金屬、碳材料等進行復合之后形成電極材料。石墨烯基超級電容器電極材料最近的研究重點和熱點在三元石墨烯電極材料的制備和性能研究。

早期的石墨烯的制備研究階段，美國發揮著主導作用。中國在隨后也開始了不同微觀形狀的石墨烯的制備，包括球狀、三維多孔狀、單層以及多層石墨烯材料。一元石墨烯電極材料的研究中，美國依然是先驅者。隨后，美國、韓國、日本的研究熱點從材料轉向超級電容器、電池的組裝以及商業化應用。中國的研究熱點依然停留在材料性能的改進方向，在二元、三元復合材料研究中，大部分為中國申請。

4總結和展望

石墨烯基電極材料是一種新興儲能材料，根據我國的形勢，石墨烯基儲能材料必然得到更廣泛的用途。石墨烯基儲能領域的發展，應該基于電極材料的性能提升和工業化兩方面著手。通過合理的改性和拓展新用途，達到一定有益效果，并且能夠投入工業化生產應該是現在超級電容器電極材料的主流發展。

參考文獻

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