石墨烯柔性超級電容器的問世 將顛覆整個行業(yè)

【亞洲發(fā)電機網(wǎng)】隨著科學技術的進步，工業(yè)化和信息化的迅速發(fā)展，計算機、移動電話、照相機等電子產(chǎn)品已成為生活中的必需品。這就要求電子設備的儲能系統(tǒng)必須具備長時間的供電能力，才可使電子設備脫離電源線的約束，成為方便使用的可移動裝置。超級電容器是一種新型的儲能器件，具有高容量、高功率密度、高充放電速度等優(yōu)點。

石墨烯柔性超級電容器的問世 將顛覆整個行業(yè)

柔性超級電容器是超級電容器的一個分類。超級電容器是由電極材料、集流體、隔膜、電解液組成，而柔性超級電容器是由柔性基底、電極材料、固態(tài)電解質(zhì)組成。其中電極材料可同時起到儲存能量和集流體的作用，固態(tài)電解質(zhì)可同時起到電解質(zhì)和隔膜的作用。與傳統(tǒng)超級電容器相比，柔性超級電容器具有以下優(yōu)點：選用性能穩(wěn)定的電極材料，提高了安全性;超薄的電極材料和精簡的組裝過程，大大縮減了體積，使整個器件更小型、輕質(zhì);電極材料和電解質(zhì)材料用量少，降低了生產(chǎn)成本，且安全環(huán)保。

1、柔性超級電容器的工作原理

柔性超級電容器與超級電容器的工作原理相同，可分為雙電層儲能機制、贗電容儲能機制和復合儲能機制：

(1)雙電層儲能機制是利用電極材料與電解質(zhì)的接觸面存儲電荷，形成兩個電荷層，整個過程不發(fā)生化學反應，僅是離子的吸脫附。

(2)贗電容儲能機制是利用電極材料中活性物質(zhì)表面發(fā)生的可逆的氧化還原反應存儲電荷的，屬于法拉第反應過程。

(3)復合儲能機制指整個反應過程同時出現(xiàn)雙電層儲能機制和贗電容儲能機制。

例如：雙電層儲能過程中，僅是電荷的吸脫附，電極材料的循環(huán)壽命高，但是儲存電荷的表面積有限，電容值較低;而贗電容儲能過程可獲得較高的電容值，但由于氧化還原反應的不可逆性，循環(huán)壽命較低。兩種機制協(xié)同作用，發(fā)揮各自的優(yōu)點，彌補各自的不足，將超級電容器的電化學性能完全發(fā)揮出來。

2、石墨烯基柔性超級電容器

(1)基于石墨烯的柔性超級電容器

石墨烯是由sp2雜化的碳原子密排成蜂窩狀的二維晶體結構。自問世以來，由于其具有高比表面積、優(yōu)異的電學性能和穩(wěn)定的化學性能等特點，在超級電容器領域備受關注。

石墨烯柔性超級電容器的問世 將顛覆整個行業(yè)

Stoller等以KOH化學改性的石墨烯作為電極材料，驗證了石墨烯應用在超級電容器電極材料領域的可行性。自此，關于石墨烯作為超級電容器的電極材料的研究層出不窮。如圖1所示，石墨烯柔性超級電容器具有不同的組成形式。

Chen等將氧化石墨烯懸濁液注入玻璃管中，經(jīng)還原后，得到與玻璃管形狀相似的石墨烯纖維。所制得的超級電容器具有良好的電化學性能及柔韌性。

Zhao等將吡咯單體加入到氧化石墨烯懸濁液中，經(jīng)過聚合和還原后，得到具有良好彈性的石墨烯/聚吡咯三維結構。組裝成的柔性超級電容器具有很好的可壓縮性能。

El-Kady等利用DVD光驅(qū)激光還原氧化石墨烯作為電極材料，制備所得柔性超級電容器的比電容達4mF/cm2，并且具有優(yōu)異的變形性能。

石墨烯柔性超級電容器的問世 將顛覆整個行業(yè)

由于平板狀的柔性超級電容器縱向尺寸較小，在變形過程中自身產(chǎn)生的抗力較小，因而更易于變形。Zang等將化學氣相沉積法制備的石墨烯網(wǎng)狀薄膜轉移至幾種不同的柔性基底(聚對苯二甲酸乙二醇酯，PET;聚二甲基硅氧烷，PDMS;聚乙烯，PE;磨砂布和濾紙)，并與膠體電解質(zhì)組裝成具有“三明治”結構的柔性超級電容器。

根據(jù)柔性基底性質(zhì)的不同，對電容器采取不同的變形性能測試，如彎曲、拉伸、折紙、任意變形等(圖2)。測試結果發(fā)現(xiàn)，各種變形后電容器仍可保持穩(wěn)定的電容性能，并且可以承受上百次變形，具有很好的變形穩(wěn)定性。在實際情況中動態(tài)變形更加常見，而柔性超級電容器在變形過程中仍可保持穩(wěn)定的電化學性能，即具有優(yōu)異的動態(tài)變形性能。

石墨烯柔性超級電容器的問世 將顛覆整個行業(yè)

如圖3所示，Li等將變形類型擴展到動態(tài)拉伸變形，將碳納米管轉移至PDMS基底上，測試了不同應變頻率(最高頻率為4.46%/s)下的電化學性能的變化。

Zang等充分利用石墨烯網(wǎng)狀薄膜可與基底緊密結合的特點，獲得以預拉伸后的褶皺PDMS為基底、石墨烯網(wǎng)狀薄膜為電極材料的可動態(tài)拉伸(彎曲)超級電容器。動態(tài)拉伸(彎曲)頻率可高達60%/s。拉伸過程通過CV曲線進行實時檢測，結果表明，動態(tài)拉伸(彎曲)過程中未見明顯的性能破壞，具有很好的動態(tài)變形性能。

(2)基于石墨烯復合材料的柔性超級電容器

雖然碳材料具有優(yōu)異的雙電層電容器的性能，但是碳材料的表面積有限，儲存電荷的能力也有限。為了進一步提升柔性超級電容器的儲能能力，引入贗電容材料，獲得石墨烯與贗電容材料的復合材料。在復合材料中，石墨烯既作為雙電層儲存能量，又作為贗電容材料的支撐骨架及導電通道。雙電層與贗電容的有機結合可使兩種儲能機制協(xié)同工作，發(fā)揮最優(yōu)的性能。

高分子導電聚合物是一種制備工藝簡單、性能優(yōu)越的贗電容材料，如聚苯胺、聚吡咯等。聚苯胺是一種典型的導電聚合物，具有較高的電導率、獨特的摻雜機制及良好的環(huán)境穩(wěn)定性等特點，且原料易獲得，成本低。導電物的制備方法簡單，包括原位聚合、電聚合、溶液法等。

Zhang等在氧化石墨烯上原位聚合聚苯胺，獲得480F/g的質(zhì)量比電容。Cong等在一步法制備的還原氧化石墨烯上負載聚苯胺，獲得柔性、輕質(zhì)、高導電性的復合電極材料，質(zhì)量比電容高達763F/g。Zang等采用電化學聚合的方法在石

墨烯網(wǎng)狀薄膜上負載聚苯胺，將器件的面積比電容由2mF/cm2提高到23mF/cm2，負載后仍然具有良好的柔性變形性能。

石墨烯與導電聚合物復合后，可以大幅度提高電容值。另外，聚合物可增強石墨烯與基底之間的結合力，也提高了柔性變形的能力，在柔性超級電容器領域具有很好的應用前景。

3、結論與展望

綜上所述，由于石墨烯具備獨特的結構和電化學性能，且可與贗電容材料進行復合，是一種具有潛力的柔性超級電容器的電極材料。柔性超級電容器中的石墨烯可以實現(xiàn)多種類型的靜態(tài)變形和高頻率的動態(tài)變形，而且變形過程中電化學性能保持穩(wěn)定，從而很大程度上推動了柔性超級電容器領域的前進。相信隨著石墨烯性能的完善及配套微加工技術的精進，石墨烯柔性超級電容器會向越來越廣闊的應用空間發(fā)展。