超級電容器，是介于傳統(tǒng)電容器和電池之間的一種電化學儲能裝置。與電池類似，超級電容器主要由電極、電解液、隔膜和集流體組成，其中的電極是決定超級電容器性能的核心部件。目前常用的活性炭電極是雙電層的電荷存儲機理，其比表面積大、穩(wěn)定性好、功率密度高但電容量?。?lt;250法拉/克），而且現(xiàn)有儲能器件中所使用的電解液通常有毒有害、易燃易爆、安全穩(wěn)定性差。

為破解這一難題，中科院上海硅酸鹽所研究團隊展開持續(xù)攻關，通過反復試驗，合成了氮摻雜有序介孔石墨烯，該材料是石墨烯廣義家族中的一種新結構，具有優(yōu)異的電化學儲能特性，電容量可達到855法拉/克。而且，該團隊還研究了電極材料中結構與性能之間的關系，發(fā)現(xiàn)氮原子在石墨烯中的結構不僅影響電極材料的氧化還原電位，還決定了電極材料的電容量。這一重要發(fā)現(xiàn)為科研人員設計高電化學活性的電極材料提供了新的思路。

事實上，石墨烯材料已被汽車電池研究專家廣泛采用。日前，劍橋大學化學教授克萊爾格雷和她的團隊利用石墨烯材料攻克了鋰空氣電池開發(fā)中的技術難關，相關成果也發(fā)表在《科學》雜志上。

據(jù)介紹，鋰空氣電池通過鋰和氧結合成過氧化鋰實現(xiàn)放電，再通過施加電流逆轉這一過程而完成充電。如何可靠地令上述反應反復發(fā)生是該技術面臨的挑戰(zhàn)?？巳R爾格雷用石墨烯構造高度多孔、海綿狀的碳電極，再加入一些添加劑使之保持化學穩(wěn)定，解決了之前的鋰空氣電池易爆炸的問題。而且如果能把該技術從實驗室的演示品轉變?yōu)樯唐?，那么汽車只充一次電就能從倫敦駛到愛丁堡（約650公里），所用電池的成本和重量卻只有現(xiàn)在鋰離子電池的1/5。

此外，韓國三星電子也在進行旨在硅表面添加石墨烯涂層的硅基陽極物質(zhì)的研究。他們通過在碳化硅電極的表面涂石墨烯涂層，有效地擴展了陽極的表面積。同時與陰極所使用的鋰鈷氧化物進行組合，使電池的充電電源的單位體積能量密度有較大的提高，其壽命也增加到鋰離子蓄電池的1.5至1.8倍。

“這些研究成果都表明，在電極中添加石墨烯材料，可以明顯改善電池的充電速度、循環(huán)穩(wěn)定性、使用壽命和能量密度?！蓖鯘硎?，不管石墨烯能否成為下一代電池的正負極材料，合理正確使用石墨烯這一新材料，能夠促進電池向更高性能發(fā)展是業(yè)內(nèi)一致認可的。

真正上路尚需時日

石墨烯材料在電池上的應用前景毋庸置疑，然而石墨烯電池真正從實驗室走向產(chǎn)業(yè)化，還有很長的路要走。

“在討論石墨烯如何應用于電池之前，獲得合格石墨烯產(chǎn)品是第一關?！蓖鯘榻B，石墨烯的獨特結構是把雙刃劍，在帶來優(yōu)異特性的同時，也為其產(chǎn)業(yè)化增加了難度。

據(jù)了解，二維材料之前從來沒有獲得過，石墨烯只是科學家的一個假想。2004年，英國物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫根據(jù)兩塊石墨相互摩擦就會有一片石墨被整體剝離的特性，發(fā)明了制造二維石墨烯的“透明膠法”：他們通過光束、電子束和原子力顯微鏡等設備來操作，用足夠強力的透明膠粘住石墨層的兩個面并把它撕開，然后不斷重復，直到獲得只有一層原子厚的石墨烯。這是個復雜工程，因為1毫米厚的石墨薄片能剝離出300萬層石墨烯，兩人也因此獲得了2010年諾貝爾物理學獎。

然而，這種在實驗室獲取的方法難度太大、成本太高，限制了石墨烯材料產(chǎn)業(yè)化的步伐。而且，即使是獲得了產(chǎn)業(yè)化的石墨烯材料，也只是制造石墨烯電池的第一步，真正應用到電動汽車上，還需要等更長的時間。