石墨烯基超微型電容器研究的關鍵問題剖析

　　近年來，隨著高度集成化、輕量便攜化、可穿戴式、可植入式等新概念，特別是柔性化電子產品概念的不斷提出，迫切需要開發與其高度兼容的具有高儲能密度、柔性化、功能集成化的微型儲能器件。

　　為實現這一目標，該研究團隊在前期研究中將甲烷等離子體還原技術和光刻微加工技術相結合，成功制備出石墨烯基高功率平面微型超級電容器；采用層層自組裝氧化石墨烯與多聚賴氨酸，并在層間插入硼酸，經高溫處理獲得氮硼共摻雜的石墨烯薄膜應用于高體電容和倍率性能的微型超級電容器；利用交替堆疊的方法制備出高致密、高導電性聚合物/石墨烯、活化石墨烯/石墨烯薄膜材料，應用于高比能量微型柔性超級電容器；利用噴涂方法制備出石墨烯導電聚合物薄膜，應用于超薄、可打印、且具有交流線性濾波功能的超級電容器。

　　這些柔性化、微型化超級電容器對于未來的電子器件展現出重要的應用前景。

　　該工作得到了國家青年千人計劃、國家重點研發計劃、國家自然科學基金、遼寧省自然科學基金等項目的資助。

　　石墨烯基超微型電容器研究的關鍵問題

　　全石墨烯基微型超級電容器示意圖（a）和光學照片（b），從左到右依次為條帶并行型平面超級電容器、同心圓型平面超級電容器、梳子型平面超級電容器、三明治構型超級電容器

　　目前石墨烯基微型超級電容器的研究雖有進展，但仍處于起始基礎研究階段，仍然有許多問題或挑戰亟待解決。要發展低成本、高性能石墨烯基微型超級電容器需考慮以下3個重要方面：

　　（1）石墨烯及其復合納米材料的低成本、宏量控制制備是從根本上改善微型超級電容器性能的關鍵。

　　事實上，石墨烯薄膜的形態和微結構的可調節性，對于改善微型超級電容器的性能非常重要。需要指出的是，為了獲得高性能石墨烯基微型超級電容器，充分理解石墨烯材料的微觀結構和電化學性能之間的構效關系是絕對必要的。考慮到二維石墨烯應用于微型超級電容器可以顯著提高電解液離子與石墨烯薄膜微電極在水平方向上的相互作用，與其類似的其他二維納米片，如無機氧化物和硫化物材料（MnO2、TIO2、Co3O4等），可以用作新型微型超級電容器的電極材料。

　　（2）開發新的、簡單的、低成本的，以及在任意襯底上可獲得均勻的、導電的、大面積的石墨烯基薄膜制造技術，是獲得高性能的微型超級電容器的另一個關鍵問題。

　　典型的薄膜生產方法包括旋涂、噴涂、真空過濾、電化學聚合和層層自組裝，其中有些方法可以有效地提高微型器件的性能。為了達到這個目標，需要考慮兩個關鍵成膜因素：一個是要解決與基板表面兼容的石墨烯基材料的可加工性，這對于改善器件性能是不可缺少的；另一個是薄膜制備技術的可放大性，即是否可以實現薄膜高效大面積的生產。在這方面，噴墨印刷、絲網印刷等技術成本低，并且可以快速地在各種基底材料上大規模生產不同的薄膜材料，如納米碳、聚合物、氧化物和金屬薄膜。因此，在這種情況下大規模生產的微型超級電容器將更具市場競爭力和應用前景。

　　（3）不同器件部分（包括電極、電極液、隔膜、基底、集流體、以及它們之間的界面）的界面融合和整體優化是一個長期的、挑戰性的課題。

　　小結

　　石墨烯基微型超級電容器的快速發展，期望能夠解決現代社會對微量級能源儲存的迫切需要。以石墨烯和其他二維材料為基礎的微型超級電容器有望成為超高能量和功率密度的新型的芯片儲能器件，能夠提供足夠的能量和令人滿意的峰值功率來滿足未來應用在小型化的微系統電子設備的需求。