美石墨烯纸造超级电容器及石墨烯超级电容器研究进展

　　麻省理工学院的研究人员发现，揉皱的石墨烯纸可用于创建柔性电子设备的可伸缩超级电容器。

　　许多人因为它的大表面积/质量正在探索石墨烯纸制作超级电容器。柔性电子设备的发展，如可穿戴或可植入的生物医学传感器或监控设备，需要柔性的能量储存系统。超级电容器可以像电池一样存储电能，但电容主要通过静电作用，而不是化学作用。麻省理工的研究团队证明，将石墨烯纸揉皱成一团，可以制备易于弯曲、折叠或拉伸到其原始大小的800%的超级电容器。作为验证，该团队制造使用这种方法了一个简单的超级电容器。研究人员已证实，该材料可以揉皱，平复1000次，且性能不发生明显降低。

　　为了制造一张皱巴巴的石墨烯纸，首先将一张石墨烯纸放置在一个机械装置中,在一个方向上首先压缩它，用以产生一系列平行的褶皱，然后在另一个方向上压缩产生褶皱。受到拉伸时,材料的折痕就能铺展开来。组成一个电容器需要两个导电层——即两张皱巴巴的石墨烯纸中间夹一个隔离层。在验证用的超级电容器上隔离层采用的是水凝胶材料。水凝胶也像皱巴巴的石墨烯纸一样高度变形和可伸缩，所以这三层即时在被弯曲和拉时仍能保持接触。

　　这种将石墨烯起皱的技术不仅可用于制造超级电容器，也可以有其他应用。例如，皱巴巴的石墨烯材料可以用于制作柔性电池的电极，或者为特定的化学或生物分子制造可伸缩传感器。该项研究工作由美国海军研究办公室、美国国家科学基金会和中国****支持。

　　技术发展回顾：石墨烯超级电容器研究进展

　　1.前言

　　进入二十一世纪，电力紧缺，煤炭、石油等能源日趋枯萎，对于全球经济运行和人类生活无疑产生了较大冲击。人们开始寻找更多的替代能源，关于如何利用太阳能、风能等这些可再生清洁能源引起了越来越多的关注。但是由于能量来源本身的特性,决定了这些发电的方式往往具有不均匀性, 电能输出容易发生变化。随着风力和太阳光强度的变化, 这些能源产生的电能输出也会发生相应的变化。这就需要使用一种缓冲器来存储能量。而超级电容器（又称电化学电容器），以其它优异的性能，如具有长寿命、安全可靠、大储能等，成为近几年来越来越受关注的新型储能元件。目前，由于国外研究超级电容器起步较早，许多国家把超级电容器项目作为国家级的重点研究和开发项目，在产业化上也取得了一定成果，如美国的 Maxwell公司，俄罗斯的Econd公司，日本的Elna公司等。对于国内来说，上海奥威科技开发有限公司等一些产品也达到了国际先进水平，但所占整个市场的份额是很小的。然而，超级电容器的市场需求和应用领域则是日益扩大。因此，在这样的背景下，大力深入开展基于超级电容器的基础理论和实际应用研究，不仅有其重要的科学价值，更重要的是在能量存储中有着可预见的广阔应用前景和现实意义。

　　超级电容器主要是由电极、电解质、隔膜、引线和封装材料等组成。由于超级电容器不是通过化学反应来充电的，而是通过在电极表面积累电荷进行充电的，故和传统的电容器相比，具有能量密度大和比充电电池功率密度高的优点, 而且可快速充放电，使用寿命长, 很宽的电压和工作温度范围，是一种新型、高效、实用的能量存储装置。

　　目前，超级电容器分类大致可以按照以下三种。按使用的电极材料不同，可分为碳基超级电容器、金属氧化物基超级电容器、导电聚合物基超级电容器；按使用的电解质不同，可分为水系超级电容器、有机系超级电容器和固态超级电容器；按存储能量的机理不同，可分为双电层电容和法拉第准电容。

　　其中，以碳基材料为电极的超级电容器的储能主要是以双电层机理为主。将碳材料与导电聚合物或金属氧化物复合而成的材料作为电极，则超级电容中双电层电容和法拉第准电容同时存在。