1、俄亥俄州代頓市Nanotek Instruments公司新研制的石墨烯超級電容器，單位質量可儲存的能量相當于鎳氫電池，打破了世界紀錄，而且充電或放電只需要短短幾分鐘、甚至幾秒鐘，有望取代電池。相關研究論文發表在Nano Letter上。 該超級電容器電極的制備采用了石墨烯，混合5%的超級P(一種乙炔黑，作用相當于導電添加劑)和10%的聚四氟乙烯(PTFE)結合劑。研究人員把產生的懸浮液涂在集電器表面，把硬幣大小的電容器安裝在隔離箱里。電解質-電極界面的制備，采用了“Celguard隔膜-3501”，而電解液是一種化學品，叫做EMIMBF4。 該公司對硬幣大小超級電容器的測試表明，石墨烯電極的超

2、級電容器的能量密度為85.6 Wh/kg，而鎳氫電池和鋰離子電池分別為40-100 Wh/kg和120 Wh/kg，這是有史以來基于碳納米材料的雙電層超級電容器所達到的最高值。研究小組成員還包括來自Angstron材料研究所的科學家，他們正在努力工作以進一步提高超級電容器的能量密度。電容器電極材料研制方面取得系列進展。超級電容器是介于傳統物理電容器和電池之間的一種新型儲能器件，具有綠色環保、充電時間短、使用壽命長和工作溫度范圍寬等優點，其核心部件是性能優異的電極材料。石墨烯片（GS），作為一種新型的碳材料，具有良好的導電性和大的比表面積，預計將其作為超級電容器的電極材料具有廣闊的應用前景。但是

3、純石墨烯表面缺少功能基團導致其很難與其它材料復合或在器件上進行組裝，從而限制了其深入應用。因此，對石墨烯表面進行化學修飾以便于獲得各種功能復合材料是當前研究的一個熱點。 圖1： 不同PANi含量的PSS-GS/PANi“紙”電極（左）和PSS-GS與PANi納米纖維之間的靜電吸附示意圖（右）圖2 ：PSS-GS與二氧化錳在基底上的層層自組裝示意圖固體潤滑國家重點實驗室研究人員利用化學修飾后的石墨烯（PSS-GS）與聚苯胺（PANi）納米纖維之間的靜電吸附作用，制備了PSS-GS/PANi復合材料膠體溶液，然后抽慮成膜得到了柔性的PSS-GS/PANi復合“紙”電極材料。另外，以PSS-GS和二

4、氧化錳（MnO2）片為結構構筑單元，以聚電解質為粘結劑，通過層層自組裝技術在導電基片（ITO）上進行組裝得到了多層復合薄膜電極。電化學性能測試表明所制備的“紙”電極和多層復合薄膜電極都具有高的比電容和優異的循環壽命性能，具有很好的應用前景。煤和石油作為儲量有限的化石能源面臨著污染嚴重、來源枯竭的困境。一個多世紀的以化石能源提供動力的工業發展，使地球的環境惡化、資源過度開采。為了實現可持續性的發展，開發綠色能源模式顯得尤為重要。國家中長期技術發展綱要中，把超級電容器關鍵材料及制備技術作為一個重要組成部分列入了前沿新材料技術研究范疇。（摘自中國科學院金屬研究所一種石墨烯基柔性超級電容器及其電極材料

5、的制備方法專利說明書）上海奧威科技開發有限公司是車用超級電容器行業標準的制定者上海奧威科技開發有限公司在其高比容量有機混合型超級電容器負極材料及其制備方法專利說明書中說：上述專利和文獻報道的技術，存在如下缺點：1)密度低，電極成型密度均低于0.7g/cm3，2)比容量低，小于500F/g，大部分比容量在100-250F/g之間，嚴重限制了超級電容電池的能量密度。理論研究表明：炭材料最大可利用的表面積為：2664m2/g，石墨烯片上的容量為0.2F/m2，其邊緣比容量為石墨烯片上的20倍。如果僅利用石墨烯片上的容量，其最大物理比容量為：533F/g。一般來說，稠環芳烴及其混合物直接炭化把有機物轉

6、化為炭材料時，需經歷液相炭化過程，所形成的石墨烯片尺寸較大，可達幾十甚至幾百納米，然而由于石墨烯片的分子間作用力與其大小成正比，離子很難在大尺寸石墨烯片間形成雙電層。另外，由于石墨烯片大，邊緣碳原子的比例小，因此，其比容量很低。通過以上的描述我們可知石墨烯面積大制成的石墨烯超級電容器反而比容量低中國科學院金屬研究所的一種石墨烯基柔性超級電容器及其電極材料的制備方法專利說明書中顯示他們是以大面積石墨烯薄膜來制造石墨烯超級電容器，制成的石墨烯超級電容器比容量在130-240F/g，確實比較低，這與上海奧威科技開發有限公司專利說明書上的說法一致而瞿研的石墨烯正是小面積的石墨烯粉末，用其制造石墨烯超級

7、電容器比電容將會遠遠高于大面積石墨烯薄膜制造的石墨烯超級電容器因此，力合石墨烯超級電容器比中科院金屬所的石墨烯超級電容器強石墨烯片上的容量為0.2F/m2，其邊緣比容量為石墨烯片上的20倍。如果僅利用石墨烯片上的容量，其最大物理比容量為：533F/g。那么石墨烯片的邊緣最大物理比容量即為10660F/g，替代鋰電池已經不成問題。浸漬技術改進超級電容器更新：2011-10-08 12:57:32 來源：麻省理工科技創業碳納米管石墨烯制成的電極，能量密度都是每公斤155瓦時，可媲美鎳氫電池。一個簡單的竅門，可以提高先進超電容器或超級電容器存儲電荷的性能。這項技術是由斯坦福大學（Stanford U

8、niversity）的研究人員開發的，可以使用新型納米電極材料，儲存更多能量。雖然超級電容器可提供快速能量爆發，而且充電次數比電池多很多，不會喪失它們的存儲容量，但是，它們可存儲能量只有電池的十分之一，這就限制了它們的應用。為了提高它們的能量密度，研究人員集中使用具有更大表面積的電極材料，如石墨烯和碳納米管，它們可容納更多攜帶電荷的離子。斯坦福大學的研究小組是由崔毅（Yi Cui）和包哲南（Zhenan Bao）領導，他們用的復合電極，是用石墨烯和錳氧化物制成。錳氧化物被認為是一種有吸引力的電極材料，因為“首先，錳是豐富的，所以它的成本非常低，”崔毅說。“它也有較高的理論容量，可以存儲離子，用

9、于超級電容器。”然而，在過去，它的使用受限于低導電性，這使得輸送離子進出這種材料都很困難。研究人員浸泡了這種復合電極，就浸泡在碳納米管溶液中，或導電聚合物溶液中。這種涂層提高了電極的導電性，因而也提高了它們的電容，就是存儲電荷的能力，分別提高了20和45。研究人員報道了他們的成果，論文在線發表在納米快報（Nano Letters）雜志上。“這是一個重要的進步，” 秦路暢（Lu-Chang Qin）說，他是教堂山（Chapel Hill）北卡羅來納大學（University of North Carolina）物理學教授，最近開發出類似的石墨烯-錳氧化物電極。這些結果“有望帶來新一代超級電容器，

10、” 秦路暢說。不過，他指出，斯坦福大學的研究小組還沒有測量新電極的能量密度。秦路暢與日本研究人員合作，用碳納米管石墨烯制成電極。這些電極的能量密度都是每公斤155瓦時，可媲美鎳氫電池（nickell hydride batteries）。江博爾（Bor Jang）是納米技術及儀器公司（Nanotek Instruments）的創始人之一，這家公司在俄亥俄州（Ohio）代頓（Dayton），制作石墨烯電極，用于超級電容器，他說，這種新電極可能缺乏能量密度。此外，他說，“結合石墨烯、鋅錳和導電聚合物或碳納米管，可能會超量毀傷。”其他人已取得高得多的電容數值，用的是石墨烯金屬氧化物或導電聚合物電極。

11、然而，崔毅說，最令人興奮的是，這項新成果是這樣一種簡單的浸漬技術，可以提高電容。他說，可用這項技術改善導電性的，還有其他電極材料，如硫，硅和磷酸鋰錳（lithium manganese phosphate），從而可以提高鋰離子電池的性能。崔毅和他的同事正努力改善電池電極，使用的就是這種新方法。能量密度都是每公斤155瓦時，可媲美鎳氫電池，這實際上已經超過了鋰電池。活性石墨烯制備超級電容器使用氫氧化鉀重組化學上改進的石墨烯薄片，研制各種形式的“活性炭”，它們有孔隙，可增加表面積，提高存儲容量，制成超級電容器。蘇東和埃里克斯塔奇使用強大的電子顯微鏡，分析的樣品是活性石墨烯，他們在布魯克海文國家實驗

12、室的功能納米材料中心進行研究。斯塔奇說：“功能納米材料中心提供方便，世界各地的科學家都可以解決納米科學和納米技術的前沿問題。這項工作正是這個設施要做的事。”來源：布魯克海文國家實驗室美國能源部布魯克海文國家實驗室（Brookhaven National Laboratory）的科學家協助揭示了納米尺度結構的新形態碳，有助于解釋為什么這種新材料的作用就像超級吸水的海綿，當它吸納電荷時就是這樣。這種材料日前被創造出來，研發者是奧斯汀（Austin）得克薩斯大學（University of Texas），這種材料可用于“超級”儲能設備，具有非常高的存儲容量，同時保留其他優秀屬性，比如超高速能量釋放，

13、快速充電時間，使用壽命至少有1萬個充/放電周期。“這些特性使這種新形態的碳特別有吸引力，可以滿足電能儲存需求，這也需要快速釋放能量，例如，在電動汽車上，也要理順間歇性能源的電力供應，這些能源比如風力和太陽能發電，”布魯克海文國家實驗室的材料科學家埃里克斯塔奇（Eric Stach）說，他聯合撰寫了論文，描述這種材料，發表在科學上，時間是2011年5月12日。原子分辨率電子顯微鏡圖像顯示的活性石墨烯，表明這種材料包含單一片狀結晶碳，高度彎曲，形成一種三維多孔網絡，來源：布魯克海文國家實驗室超級電容器類似電池，因為兩者都存儲電荷。電池需要化學反應，就是金屬電極和液體電解質之間的反應。由于這些化學物

14、質需要時間來進行反應，因此，能量儲存和釋放相對緩慢。但電池可以儲存大量的能量，釋放需要相當長的一段時間。另一方面，超級電容器存儲電荷的形式是離子，在電極表面存儲，類似靜電，而不是依靠化學反應。充電電極導致離子在電解液中分離，也叫兩級化，這樣，電荷就被存儲在連接處，就是電極與電解液之間的交界處。孔隙在電極上增加了表面面積，在這上面，電解質可以流動和互動，這就提高了能量的儲存。但是，由于大多數超級電容器不能像電池那樣存儲同樣多的電荷，它們的使用就局限于一些地方，就是少量能量的迅速需求，或很長的使用壽命必不可少的地方，比如移動電子設備中。這種新材料的開發者是奧斯汀德克薩斯大學研究人員，這種材料可以改

15、變這一點。它制成的超級電容器具有的能量存儲容量，或能量密度，接近鉛酸電池，同時保留了高功率密度，也就是快速能量釋放，這是超級電容器的特點。“這種新材料結合了兩種電力儲存系統的屬性，”得克薩斯大學小組領導羅德尼魯夫（Rodney Ruoff）說。“我們驚嘆它出色的表現。”奧斯汀德克薩斯大學小組已經著手創造更具多孔形態的碳，他們使用氫氧化鉀（potassium hydroxide）重組化學上改進了的石墨烯薄片，這種薄片就是一種形態的碳，其中的原子排列為瓦狀環，平鋪形成單原子厚的薄片。這種“化學激活”先前曾用來研制各種形式的“活性炭”，它們有孔隙，可增加表面積，用于過濾器和其他地方，包括超級電容器。

16、但是，由于這種新形式的碳是如此優越，勝過其他用于超級電容器的材料，奧斯汀德克薩斯大學的研究人員知道，他們表征這種結構需要在納米尺度進行。魯夫形成了一個假設，就是材料包含連續三維多孔網絡和單原子厚的壁，具有一個重要部分，就是“負曲率碳”（ negative curvature carbon），類似外翻式巴基球（buckyballs）。他去找布魯克海文國家實驗室的斯塔奇，協助進一步從結構上表征，以驗證或反駁這個假設。斯塔奇和布魯克海文國家實驗室的同事蘇東（Dong Su）進行了廣泛的研究，場所有實驗室的功能納米材料中心，國家同步輻射光源（National Synchrotron Light Source），以及勞倫斯伯克利國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory）的國家電子顯微鏡中心，三個設施的支持者都是能源部科學辦公室。“在美國能源部實驗室，我們在世界上分辨率最高的顯微鏡，我們真正全面地刻畫了這種原子的結構，”斯塔奇說。“我們的研究顯示，魯夫的假設其實是正確的，這種材料的三維納米結構包含網絡，屬于高度彎曲的單原子厚的壁，會形成微小孔隙，孔隙寬度范圍是1至5納米，或十億分之一米。”研究內容包括詳細圖示的細微孔隙結構和碳壁本身，這些圖像也表