6料——石墨烯的储能特性及其前景展望

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1、新型储能材料——石墨烯的储能特性及其前景展望杨全红．唐致远能源和环境问题是目前人类亟需解决的两大问题。在化石能源日渐枯竭、环境污染日益严重、全球气候变暖的今天，寻求替代传统化石能源的可再生绿色能源、谋求人与环境的和谐显得尤为迫切。新型的可再生能源，譬如风能和太阳能等的利用，电动汽车、混合动力电动车的逐步市场化，各种便携式用电装置的快速发展，均需要高效、实用、“绿色”（零污染、低污染）的能量储运体系。对于新型的“绿色”储能器件，在关切其“绿色”的同时，高功率密度、高能量密度则是其是否可以真正替代传统能量储运体系的重要指标。新型的电源体系，特别是二次

2、电池或者超级电容器是目前重要的“绿色”储能装置。而其中核心部分是性能优异的储能材料。各种碳质材料，特别是ｓｐｚ杂化的碳质材料，由于其特殊的层状结构或者超大的比表面积，成为重要的储能材料或者储能体系的电极材料。层石墨——石墨烯（ｇｒａｐｈｅｎｅ），２００４年被成功制备…；独特的结构——真正的表面性固体（无孔、表面碳原子比例为１００％的超大表面材料），使其成为下一代碳质电极材料的重要选择。１ｓｐ２杂化碳质材料：重要的储能材料碳是自然界广泛存在的一种元素，具有多样性、特异性和广泛性的特点。碳元素可以ｓｐ、ｓｐｚ、ｓｐ３三种杂化方式形成固体单质。而ｓｐ

3、：杂化形成的碳质材料的基元结构是二维石墨烯片层。如图１所示，如果在六元环形成的石墨烯晶格结构中存在五元环的晶格，就会使石墨烯片层翘曲，当有１２个以上五元环晶格存在时就会形成零维的富沿一定角度卷曲形成的圆筒状一维材料；石墨烯片层相互作用、叠加，便形成了三维的体相石墨【２］。而作为无定形的多孔碳质材料（活性炭、活性炭纤维及炭气凝胶等）则是由富含缺陷的微晶石墨炭（厚度和尺度很小的三维石墨片层结构）相互作用形成。碳质材料是目前在绿色电源体系中应用最广泛的电极材料之一。锂离子二次电池、超级电容器、太阳电池、燃料电池、储氢／甲烷等新能源领域，无处不有碳质材

4、料的身影。ｓｐ：杂化的碳质材料具有石墨（或者尺度较小的微晶石墨）层状作为ｓｐ：杂化碳质材料的基元结构的单万方数据勒烯；碳纳米管可以看作是石墨烯２４１图１石墨烯的结构（左图）及由石墨烯为基本单元构筑的ｓｐ２杂化碳质材料（右图）圈２００９．４Ｖ０１．３３Ｎ０．４结构或者由大量缺陷而形成的织构特征（丰富孔隙）和大的比表面积，而成为重要的电极材料，这些材料主要包括：石墨材料、多孑Ｌ炭材料以及碳纳米管等。结构少缺陷的层状ｓｐ２碳石墨材料是目前应用最为广泛的商用锂离子电池负极材料；富含缺陷的多孔碳质材料是目前超级电容器的主要电极材料；而碳纳米管作为一种新

5、颖的ｓｐｚ杂化碳质材料，又被预测将可能广泛应用于染料敏化太阳电池中。不论商品化或者尚处于研发阶段的“绿色”储能器件，其性能和性价比还有待提高，对ｓｐ２杂化的碳质材料进行结构优化、改性，开发更高性能或者更高性价比的电极材料是材料科学家的使命。以超级电容器为例，在其真正走向大规模应用之前，更高功率密度、更高能量密度、性价比高的碳质电极材料的开发是材料科学家必须完成的任务。笔者认为，在碳基超级电容器材料的研发方面，材料科学家可以从如下几个方面进行工作：（１）扩充储电空间——高的能量密度碳基电双层电容器的储电机理是电荷在电极表面的有序富集。对于超级电容器

6、，适合电荷聚集的有效“表面积”越大（电解质溶液可以接触的表面），其储电容量越大。不含缺陷的ｓｐｚ碳质材料的极限比表面积（单层石墨烯片层）是２６３０ｍ２／ｇ；而富含缺陷的ｓｐ：碳质材料的极限比表面积还要大于这个数值。由于一般方法很难获得单层石墨烯片层，提高碳质材料比表面积的主要方法是在碳质材料中营造孔隙，提高表面碳原子的比例，从而增加其比表面积；而孔隙率的增加制约了其功率特性的进一步提高。如何在提高比表面积，获得高能量密度的同时，保持高的功率特性是获得高性能超级电容器的重要课题。（２）控制微观结构和宏观织构——高的功率特性一般来说，主要通过提高孔隙

7、率来获得高比表面积碳质电极材料。但孔隙的存在带来另一个问题，即电解质溶液的扩散问题等。如何在提高比表面积的同时，保持其电解质溶液对静电荷储存表面的浸润，保证电解质离子以较高速率从溶液体相向碳质材料表面扩散，是碳质电极材料方面需要解决的重要问题２００９．４万方数据ＶＯＩ．３３Ｎ０．４之一。（３）提高石墨烯片层结构完整性——低内阻和高导电特性电极材料需要良好的导电特性，完整的石墨烯片层具有良好的导电特性。作为电极材料的ｓｐｚ碳质材料应该具有良好的结构完整性。通过活化等方法营造孑Ｌ隙——缺陷，在提高碳质材料比表面的同时，导电特性变差。如何在提高比表面

8、积的同时，不降低ｓｐ２碳的导电特性也是提高碳质电极材料性能需要克服的瓶颈。作为ｓｐｚ杂化碳质材料基元结构的单层或者薄层石墨烯，是可以解决