中國粉體網(wǎng)訊 近日，美國《彭博商業(yè)周刊》記錄了一位華人科學(xué)家在美國開創(chuàng)科技公司后遭受美國政府不公正調(diào)查，最終決心離開美國的故事，其中包括失敗的陷害，機場逮捕以及毫無根據(jù)的兒童色情搜索。
上述記錄表明，該華人科學(xué)家名為趙鑫，曾于2012年在博士期間開發(fā)出一種石墨烯超級電容器，并獲得了能源研究領(lǐng)域的世界頂級獎項。
據(jù)公開資料顯示，趙鑫于1997年畢業(yè)于中南工業(yè)大學(xué)材料系(后更名為中南大學(xué))，2000年獲得清華大學(xué)材料學(xué)碩士，2006年獲美國威廉和瑪麗大學(xué)應(yīng)用科學(xué)博士學(xué)位。2007至2013年，作為全職科學(xué)家，任職美國能源部下屬“杰弗森國家實驗室”。因基于直立型石墨烯的超級電容方面的發(fā)明成果，獲得世界技術(shù)（能源類）獎，現(xiàn)任深圳溢鑫科技研發(fā)有限公司總經(jīng)理。
據(jù)中國粉體網(wǎng)小編的了解，2016年，高性能石墨烯及其復(fù)合材料作為大容量超級電容器儲能裝備重點攻關(guān)技術(shù)被列入《中國制造2025-能源裝備實施方案》。隨著人們對石墨烯各項性能，尤其是電性能研究的深入，有研究者預(yù)測，在眾多應(yīng)用中，石墨烯作為超級電容器的電極材料有可能成為目前石墨烯最具突破性的應(yīng)用。
石墨烯在雙電層電容器和贗電容電容器中的應(yīng)用
超級電容器在新能源汽車、發(fā)電、航空航天、信息技術(shù)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，因其具有超大的容量(1~10Wh/kg)、高功率密度(1000~2000W/kg)、長循環(huán)壽命(＞100000次)、充放電效率高(1～30 s)、使用溫度寬等特點，還對環(huán)境無污染，且具有較高的安全性能，因而在近些年引起了世界的廣泛關(guān)注。
超級電容器從儲能機理上可分為雙電層電容器和贗電容電容器。雙電層電容器是一種通過將電荷物理地存儲在電極/電解質(zhì)界面實現(xiàn)能量儲存的超級電容器，是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的電容器。其特殊的儲能原理使其具有高功率密度，可快速充放電的優(yōu)勢；同時充放電過程不產(chǎn)生氧化還原反應(yīng)熱，具有極高的循環(huán)壽命。
具有高比表面積和高化學(xué)穩(wěn)定性的碳材料是雙電層電容器的主要電極材料�；钚蕴坑捎诰哂懈弑砻娣e、高填充密度和低成本等優(yōu)點，是工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的電極材料。然而，由于富含高比例的微孔結(jié)構(gòu)，高電流密度下雙電層電容器的電解液離子很難到達(dá)活性炭的內(nèi)表面微孔，影響高倍率下的能量密度。
石墨烯具有完全外露的表面，有利于離子快速輸運至其表面構(gòu)建雙電層電容。同時，石墨烯（sp2雜化碳）相比活性炭（sp3雜化碳）具有更高的電導(dǎo)率和更好的結(jié)晶度，有利于電子的快速轉(zhuǎn)移和電化學(xué)穩(wěn)定性，對于下一代離子液體系的高電壓窗口雙電層電容器具有重要的意義。
贗電容電容器是通過電極活性物質(zhì)（過渡金屬氧化物或?qū)щ娋酆衔铮┌l(fā)生高度可逆的化學(xué)吸附脫附或者氧化還原反應(yīng)而實現(xiàn)能量儲存的。由于儲能過程不僅發(fā)生在電極活性物質(zhì)表面，并且可以深入材料體相準(zhǔn)二維空間，因而可獲得比雙電層電容器高的容量，但其快充快放特性及循環(huán)穩(wěn)定性相較于雙電層電容器而言欠佳。與電池類似，贗電容電容器的電極活性物質(zhì)導(dǎo)電性差，石墨烯作為導(dǎo)電劑的添加，可降低器件電阻。同時石墨烯還可以起到分散所負(fù)載的贗電容電極材料的作用，從而在協(xié)同導(dǎo)電與分散兩方面，提高器件循環(huán)穩(wěn)定性。
基于儲能機理的不同，雙電層電容器在可快速充放電、循環(huán)壽命長上有更好的表現(xiàn)，已實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)及應(yīng)用。且石墨烯在雙電層電容器中除了可作為導(dǎo)電介質(zhì)外，更被認(rèn)為是潛在的電極替代材料。
石墨烯應(yīng)用于雙電層電容器存在的問題
在應(yīng)用于雙電層電容器中，尤其是考慮產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，石墨烯也存在一些亟待克服的問題。
純度問題：無論是化學(xué)氣相沉積法（CVD）還是液相剝離法均可能引入金屬雜質(zhì)和含氧官能團(tuán)導(dǎo)致產(chǎn)氣，使得電極材料和集流體間的接觸變差。
層間堆疊問題：在構(gòu)建電極宏觀聚集體的過程中，石墨烯極易發(fā)生層間堆疊而損失有效比表面積。尋求克服或削弱層間堆疊的方法，是解決石墨烯應(yīng)用于雙電層電容器的關(guān)鍵步驟。
圖：通過將石墨烯和碳納米管物理混合，削弱石墨烯片層間的面-面接觸
吸液量問題：石墨烯以介孔結(jié)構(gòu)為主，同時密度極低（僅為空氣的３倍），用作雙電層電容器電極材料時的吸液量高達(dá)其自身質(zhì)量的2~100倍，當(dāng)沿用傳統(tǒng)的先制漿后涂布的電極制備工藝，在控制電極厚度相同的情況下，烘干后的石墨烯基電極片的密度顯著低于活性炭基電極片。
離子輸運問題：離子輸運問題是石墨烯密實化后必然要解決的問題。據(jù)研究報道，解決此問題的思路之一是制備定向排列的石墨烯結(jié)構(gòu)，構(gòu)建離子輸運的“高速公路”。
圖：兼具大比表面積、高效的電子離子傳遞通道和高的堆積密度的多孔石墨烯骨架材料
綜上所述，石墨烯在用作主體電極材料的雙電層電容器領(lǐng)域，仍存在純度較低、層間易堆疊、吸液量較大等工程問題，尤其在離子液體體系的雙電層電容器中，大尺寸、高黏度離子的輸運問題仍十分嚴(yán)峻。石墨烯-離子液體系雙電層電容器（3.5~4Ｖ）替代目前已商業(yè)化的活性炭-有機系雙電層電容器（2.7~3Ｖ）仍需要長期的技術(shù)攻關(guān)。
另據(jù)學(xué)者估計，未來面向雙電層電容器市場的高端石墨烯的中國需求量每年在百噸級至千噸級。未來石墨烯在混合動力電池中的應(yīng)用需求量將比在純動力電池的需求量更大。石墨烯的產(chǎn)量、品質(zhì)與性價比將會隨著這些行業(yè)的蓬勃發(fā)展，進(jìn)一步得到提升并逐步接近市場成熟化。
資料來源：
崔超婕，田佳瑞，楊周飛等.石墨烯在鋰離子電池和超級電容器中的應(yīng)用展望.材料工程
滕瑜，陳福亮，張文莉等.石墨烯突破性應(yīng)用之超級電容器.云南冶金
彭博商業(yè)周刊、中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院。
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