石墨烯超级电容器原理

Question

如题所述

Answer 1

石墨烯超级电容器为基于石墨烯材料的超级电容器的统称。由于石墨烯独特的二维结构和出色的固有的物理特性，诸如异常高的导电性和大表面积，石墨烯基材料在超级电容器中的应用具有极大的潜力。石墨烯基材料与传统的电极材料相比，在能量储存和释放的过程中，显示了一些新颖的特征和机制。

分类

　　根据不同的能量存储机制，超级电容器可以分为三类：1）电化学双层电容器（双电层电容器），使用吸附的阴离子和阳离子储存能量；2）膺电容器，通过快速表面氧化还原反应存储能量；3）不对称超级电容器。

原理

电双层超级电容器原理

　　也称非法拉第超级电容器。其性能源自所谓的双电层电容，双电层电容器装置的电容积聚的电荷被存储在这作为在高表面积的电极和电解质之间的界面形成的双电层中。双电层电容器材料的几个至关重要的因素是：比表面积（SSA），导电性，和孔径大小及分布。石墨烯对比过去的双电层电容器的电极材料提供了一个很好的替代。与传统的多孔碳材料相比，石墨烯具有非常高的导电性，大的表面积及大量的层间构造。因此，基于石墨烯的材料非常有利于它们在双电层电容器中的应用。

膺电容超级电容器原理

　　也称法拉第超级电容器，膺电容超级电容器通过法拉第过程储存能量，涉及在电极表面上电解质并电活性材料之间的快速和可逆的氧化还原反应。最广泛的研究的电活性材料包括三种类型：a）过渡金属氧化物或氢氧化物，如氧化钌、氧化锰和氢氧化镍; b）导电聚合物，c）具有含氧和含氮表面官能团材料。膺电容可以达到比双电层电容更高的膺电容。石墨烯被认为是最合适制备膺电容电极活性成分的载体材料。

Answer 2

石墨烯超级电容器为基于石墨烯材料的超级电容器的统称。2015年10月9日，中国中车株洲电力机车有限公司称，自主研制的新一代大功率石墨烯超级电容问世。经院士专家组评审认定，其代表了世界超级电容单体技术的最高水平。

根据不同的能量存储机制，超级电容器可以分为三类：1）电化学双层电容器（双电层电容器），使用吸附的阴离子和阳离子储存能量；2）膺电容器，通过快速表面氧化还原反应存储能量；3）不对称超级电容器。

电双层超级电容器原理

也称非法拉第超级电容器。其性能源自所谓的双电层电容，双电层电容器装置的电容积聚的电荷被存储在这作为在高表面积的电极和电解质之间的界面形成的双电层中。双电层电容器材料的几个至关重要的因素是：比表面积（SSA），导电性，和孔径大小及分布。石墨烯对比过去的双电层电容器的电极材料提供了一个很好的替代。与传统的多孔碳材料相比，石墨烯具有非常高的导电性，大的表面积及大量的层间构造。因此，基于石墨烯的材料非常有利于它们在双电层电容器中的应用。

膺电容超级电容器原理

也称法拉第超级电容器，膺电容超级电容器通过法拉第过程储存能量，涉及在电极表面上电解质并电活性材料之间的快速和可逆的氧化还原反应。最广泛的研究的电活性材料包括三种类型：a）过渡金属氧化物或氢氧化物，如氧化钌、氧化锰和氢氧化镍; b）导电聚合物，[如聚苯胺，聚吡咯，聚噻吩，以及c）具有含氧和含氮表面官能团材料。膺电容可以达到比双电层电容更高的膺电容。石墨烯被认为是最合适制备膺电容电极活性成分的载体材料。

Answer 3

一、成本问题。用 [公式] 模板，然后采用 CVD 工艺用 [公式] 做碳氮源，长出石墨烯材料，再用氢氟酸腐蚀掉模板，得到三维石墨烯块材料的工艺，确实其成本太高工业化生产难以接受。能否采用其它已有的成熟工艺降低成本呢？这是有可能的。例如：采用溶胶凝胶法用石墨烯微片低成本地制备石墨烯气凝胶三维块。众多的研究文献已公开了这方面的技术，浙江大学高超及中科院金属所成会明研究的三维石墨烯气凝胶制备技术是可以参考的。但是，采用溶胶凝胶法实现低成本的关键，是如何低成本地制备石墨烯微片。现广泛采用化学液相机械剥离法制备二维的氧化态石墨烯微片成本高，还存在使用化学材料对环境影响大、需将石墨烯还原处理工艺长导电性下降、二维微片易粘结成团等等问题。

二、氮化处理对环境的影响问题。若工业化生产中采用实验室中常用的浓硝酸处理氮化工艺，确实环评很困难通过，必须找到更好的氮化工艺工业化。

三、能量密度问题。能量密度是超级电容器的“死穴”。为提高超级电容器的能量密度，国内外都投入了大量的资金和人力在研究。但是，国内外研究的路线，基本是研究新型电极材料以提高电极的比容量，或研究于电极表面产生化学反应的复合型电极，中科院上海硅酸盐所的超级电容器公开之前，超级电容器的能量密度问题还没见突破性进展。通常超级电容器的碳电极的比容量小于250F/g，目前已知最高比容量的材料为氧化钌，其比容量为 900F/g。但氧化钌的价格太贵，工业生产中不可能应用。黄富强研究员等采用氮化技术将石墨烯电极的比容量提高至 855F/g，是目前已报导的高比容量材料的最高水平。

接着，我们从实业的角度来看，宁波中车新能源科技在超级电容单体已经量产了五款产品用在电车上，虽然能量密度最大为 40Wh/kg，但总是比 2015 年的 10.7Wh/kg 有了突破。

我们去年也投入石墨烯超级电容的开发，使用的多孔洞石墨烯具有 350F/g 之比电容，选择使用水系电解液，因水系电解液之电位窗只有 1V，改用有机电解液制造超级电容可以有效扩大电位窗，提升能量密度。水系电解液和有机电解液适用的石墨烯不太一样，在有机电解液中，石墨烯之官能基要尽量去除。

另外，对电动载具而言，体积电容量（F/cc）比克电容量（F/g）更为重要。石墨烯可快速充放电并有高克电容量（F/g），但是体积电容（F/cc）很低，因其压实密度太低。反之，活性碳具有高的体积电容（F/cc），因其压实密度大；但快速充放电效能差。故我们选择多孔石墨烯搭配活性碳来提高电极活物的密度，能有效提升体积电容。左图是每公斤能量与功率，右图是每公升能量与功率。碳材是氮掺杂多孔石墨烯搭配活性碳，使用有机系电解液（2.5V）。