石墨烯的儲能特性及其前景展望

能源和環境問題是目前人類亟需處理的兩大問題。在化石能源日漸枯竭、環境污染日益嚴重、全球氣候變暖的今天，尋求替代傳統化石能源的可再生綠色能源、謀求人與環境的融洽顯得尤為急切。新型的可再生能源，譬如風能和太陽能等的利用，電動車、混合動力電動車的逐步市場化，各種便攜式用電裝置的快速發展，均需要高效、實用、“綠色”(零污染、低污染)的能量儲運體系。對于新型的“綠色”儲能器件，在關愛其“綠色”的同時，高功率密度、高能量密度則是其是不是可以真正替代傳統能量儲運體系的緊要指標。新型的電源體系，特別是二次電池或者超級電容器是目前緊要的“綠色”儲能裝置。而其中核心部分是性能優異的儲能材料。各種碳質材料，特別是sp2雜化的碳質材料，由于其特殊的層狀結構或者超大的比表面積，成為緊要的儲能材料或者儲能體系的電極材料。作為sp2雜化碳質材料的基元結構的單層石墨——石墨烯(graphene)，2004年被成功制備;神奇的結構——真正的表面性固體(無孔、表面碳原子比例為100%的超大表面材料)，使其成為下一代碳質電極材料的緊要選擇。

1sp2雜化碳質材料：緊要的儲能材料

碳是自然界廣泛存在的一種元素，具有多樣性、特異性和廣泛性的特點。碳元素可以sp、sp2、sp3三種雜化方式形成固體單質。而sp2雜化形成的碳質材料的基元結構是二維石墨烯片層。如圖1所示，如果在六元環形成的石墨烯晶格結構中存在五元環的晶格,就會使石墨烯片層翹曲,當有12個以上五元環晶格存在時就會形成零維的富勒烯;碳納米管可以看作是石墨烯沿一定角度卷曲形成的圓筒狀一維材料;石墨烯片層相互作用、重疊，便形成了三維的體相石墨。而作為無定形的多孔碳質材料(活性炭、活性炭纖維及炭氣凝膠等)則是由富含缺陷的微晶石墨炭(厚度和尺度很小的三維石墨片層結構)相互作用形成。

碳質材料是目前在綠色電源體系中使用最廣泛的電極材料之一。鋰離子二次電池、超級電容器、太陽電池、燃料電池、儲氫/甲烷等新能源范疇，無處不有碳質材料的身影。sp2雜化的碳質材料具有石墨(或者尺度較小的微晶石墨)層狀結構或者由大量缺陷而形成的織構特征(豐富孔隙)和大的比表面積，而成為緊要的電極材料，這些材料主要包括：石墨材料、多孔炭材料以及碳納米管等。結構少缺陷的層狀sp2碳石墨材料是目前使用最為廣泛的商用鋰電池負極材料;富含缺陷的多孔碳質材料是目前超級電容器的主要電極材料;而碳納米管作為一種新穎的sp2雜化碳質材料，又被預測將可能廣泛使用于染料敏化太陽電池中。

不論商品化或者尚處于研發階段的“綠色”儲能器件，其性能和性價比還有待提高，對sp2雜化的碳質材料進行結構優化、改性，開發更高性能或者更高性價比的電極材料是材料科學家的使命。以超級電容器為例，在其真正走向大規模使用之前，更高功率密度、更高能量密度、性價比高的碳質電極材料的開發是材料科學家非得完成的任務。筆者認為，在碳基超級電容器材料的研發方面，材料科學家可以從如下幾個方面進行工作：

(1)擴充儲電空間——高的能量密度

碳基電雙層電容器的儲電機理是電荷在電極表面的有序富集。對于超級電容器，適合電荷集中的有效“表面積”越大(電解質溶液可以接觸的表面)，其儲電容量越大。不含缺陷的sp2碳質材料的極限比表面積(單層石墨烯片層)是2630m2/g;而富含缺陷的sp2碳質材料的極限比表面積還要大于這個數值。由于一般辦法很難獲得單層石墨烯片層，提高碳質材料比表面積的主要辦法是在碳質材料中營造孔隙，提高表面碳原子的比例，從而增加其比表面積;而孔隙率的增加制約了其功率特性的進一步提高。要怎么樣在提高比表面積，獲得高能量密度的同時，保持高的功率特性是獲得高性能超級電容器的緊要課題。

(2)控制微觀結構和宏觀織構——高的功率特性

一般來說，主要通過提高孔隙率來獲得高比表面積碳質電極材料。但孔隙的存在帶來另一個問題，即電解質溶液的擴散問題等。要怎么樣在提高比表面積的同時，保持其電解質溶液對靜電荷儲存表面的浸潤，保證電解質離子以較高速率從溶液體相向碳質材料表面擴散，是碳質電極材料方面需要處理的緊要問題之一。

(3)提高石墨烯片層結構完整性——低內阻和高導電特性

電極材料需要良好的導電特性，完整的石墨烯片層具有良好的導電特性。作為電極材料的sp2碳質材料應當具有良好的結構完整性。通過活化等辦法營造孔隙——缺陷，在提高碳質材料比表面的同時，導電特性變差。要怎么樣在提高比表面積的同時，不降低sp2碳的導電特性也是提高碳質電極材料性能需要克服的瓶頸。作為sp2雜化碳質材料基元結構的單層或者薄層石墨烯，是可以處理以上瓶頸的理想材料。主要原由如下：單層或者數層石墨烯片層，具有無孔隙的二維平面結構。儲電空間位于石墨烯片層表面，其儲能特性完全依靠于石墨烯的比表面積和表面化學。微米級的石墨烯片層搭接形成石墨烯宏觀體，具有簡單的織構特性，不含孔隙，與電解質溶液有良好的接觸。經過與其它材料的復合，可以調控其織構，保證材料良好的功率特性。如果作為鋰電池負極材料，鋰離子在薄層石墨烯片層(片層尺度在微米級，遠小于體相石墨)之間的擴散路徑比較短，可以大大提高其功率特性。石墨烯片層零缺陷或者少缺陷，保證其具有良好的導電和導熱特性，是電極材料，特別是微型的電源器件所用電極材料的理想候選。

基于以上幾點，作為sp2雜化材料的單層或者薄層(2~10層)石墨烯是理想的超級電容器電極材料，可望提高超級電容器的功率和能量密度。同時由于其神奇的薄層、縱向和橫向尺度的可切割性、良好的導熱和導電特性，石墨烯也是其他儲能體系的理想候選材料。

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