石墨烯超级电容器的研究进展及其应用

陈丽娜，王德禧，谈述战，王梦媚，刘 毅

（青岛中科昊泰创新技术研究院有限公司，山东 青岛266300）

0 前言

超级电容器根据机理分为双层电容器、赝电容器和混合电容器。作为储能元件，其性能介于电化学电池和传统电容之间。具有充放电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。根据不同容量，可用于小容量要求的备用电源及大容量电动车和风力发电的电池等。

石墨烯独特的二维结构和出色的物理特性，使其在超级电容器中的应用具有极大的潜力。与传统的多孔碳材料相比，石墨烯具有非常高的导电性，大的比表面积及大量的层间构造，从而成为双电层电容器较有前景的电极材料选择和制备赝电容电极活性成分的载体材料。

石墨烯研究的快速发展更是掀起了国内外专家对石墨烯超级电容器的研究热潮，目前已有国内外石墨烯超级电容器相关文章，中国知网已收录并发表的石墨烯超级电容器142篇，中国的专利申请76项。国外ACS收录发表的石墨烯超级电容器相关文章43篇，已发布专利1080项，包括美国、中国、欧洲、加拿大等。根据储能机理对超级电容器的要求，石墨烯超级电容器的研究重点主要分为电极材料的设计、电解质的选择和基质的选择等，目的是为提高超级电容器的比电容和能量密度。本文主要对石墨烯超级电容器的研究进展进行综述，并进一步叙述石墨烯超级电容器的应用情况。

1 石墨烯超级电容器的研究进展

超级电容器的组成包括：电极材料、集流体、电解液和隔膜，结构示意图如图1所示。表征超级电容器的电容性能主要采用比电容、能量密度和循环寿命保持率等。当前超级电容器的最大缺点是能量密度较低（典型的为5～10Wh／kg），明显低于铅酸电池（20～35Wh／kg），镍氢电池（40～100Wh／kg）和锂离子电池（120～170Wh／kg）的能量密度。

图1 超级电容器结构Fig.1 Schematic diagram of supercapacitor structure

1.1 石墨烯的制备

石墨烯制备方法不同，得到的石墨烯质量也不同，目前制备石墨烯的方法主要包括：微机械剥离法、SiC热解外延生长法、化学气相沉积法、化学氧化还原法等。其中，气相沉积法和外延生长法可以得到高质量的大面积石墨烯，但实验条件要求苛刻；微机械剥离法得到的石墨烯不完整度较高；热剥离法得到的石墨烯亲水性较差，不利于电解液的浸入；氧化还原法可以大批量地生产石墨烯，但在氧化石墨和还原成石墨烯的过程中会破坏石墨烯的完整结构，同时还会引入一些含氧基团。有研究者称［1］，氧化石墨烯表面含氧官能团使得氧化石墨烯很容易浸润电解液，并被化学修饰。因此，氧化还原法成为目前较为常见的低成本、高效制备大面积石墨烯薄层材料的化学方法。同时，通过对目前超级电容器石墨烯制备的文献总结看出，目前多采用氧化还原的方法。由于之前采用还原的水合肼等毒性较大，越来越多的研究者试图采用维生素C［2］和葡萄糖等［3］。

1.2 石墨烯电极材料的改性

根据储能机理，需要电极材料具有较高的比表面积以保证电子能够更好地产生双电层，同时还需要保证较好的电子通道。得到的石墨烯由于本身的易聚集性，使其很难达到理论的比表面积值和导电率，无法最大程度地发挥其作为超级电容器电极材料的性能。为此，对石墨烯进行改性和结构设计成为超级电容器应用的重要课题。研究的重点在于提高石墨烯的比表面积和获得合适的孔径分布，提高石墨烯的比表面积则需要改善其易聚集的特性，并满足多孔分布。

1.2.1 解决聚集

解决聚集可以采用插层的方法使其分离开，或者保持氧化石墨烯的含氧基团来阻止石墨烯的聚集。堆叠不仅导致比表面积减少，而且会阻止电解质离子进入石墨烯片层的表面，进而导致超级电容器性能下降。研究者们考虑引入“稳定剂”或者“插层剂”到石墨烯层间，以对还原氧化石墨烯的堆叠起到抑制作用。“稳定剂”、“插层剂”的加入不仅能改善超级电容器电解质-电极的界面相容性，而且可以保证石墨烯片层的高效电化学效应。

（1）插层石墨烯

Samulski等［4］将铂粒子与石墨烯复合，铂粒子黏附在石墨烯片层上，隔离了石墨烯片层面对面的堆叠，进而使之形成机械固定（图2）。此种石墨烯复合材料具有高达862m2／g的比表面积，这使得石墨烯-铂粒子杂化材料的比电容由原来干燥石墨烯的14F／g，提高到269F／g。Cheng［5］采用RuO2进行隔离的同时，还发现石墨烯片层和RuO2具有较好的电化学性能以改善协同作用。

图2 改性石墨烯纳米粒子的分散和纳米改性石墨烯的干燥状态Fig.2 Nanoparticle-modified graphene sheets in its dispersion and dry state

还可以采用插层剂来改性石墨烯表面，进行非共价键反应，不仅可以剥离石墨烯片层，稳定剂与石墨烯表面的非共价键结合还可以形成稳定的极性官能团，从而进一步增强石墨烯表面的可浸润性。如Kar等［6］将1-芘羧酸（PCA）非共价功能化改性石墨烯直接剥离制备单层，获得了大比表面积和导电性，得到的超级电容器在6mol／L KOH溶液中，达到了120F／g的特性电容，功率密度达105kW／kg，能量密度达到9.2Wh／kg。Wu［7］通过研究不同的表面活性剂插层效果，发现使用四丁基氢氧化铵（TBAOH）表面活性剂时，TBAOH-石墨烯材料具有最好的超级电容器性能。在2mol／L H2SO4溶液中，电流密度为1A／g下，这种石墨烯得到了高达194F／g的比电容。更为重要的是，当电流密度从5A／g增加到10A／g时，TBAOH-石墨烯复合材料分别得到180F／g和175F／g的比电容。

除此以外，还有Fan等［8］采用石墨进行插层，Zhao等［9］采用碳基介孔球体材料来制造三维碳基结构。

（2）保持含氧基团

经过水溶液中化学还原反应的氧化石墨烯，含氧官能团的存在可以增大氧化石墨烯片层间的静电排斥力，从而抑制了石墨烯的堆叠。这些有氧基团还可以提高还原石墨烯的亲水性，促进水性电解质的渗透性，同时还具有赝电容特性。Ma［10］采用弱还原剂氢溴酸来还原石墨烯，可以保留一些含氧基团，得到的石墨烯超级电容器在1mol／L硫酸溶液中，电流密度0.2A／g时最大特性电容可达348F／g。更特别的是，经过1800次循环后，比电容变为初始比电容的125%，并且经历3000次循环后，比电容仍然超过初始电容的120%。这可能是因为在1800次循环之后，残存的氧化石墨烯在循环中不停地还原进而提高了其电容性质。

Chen［11］试图采用气-固相还原的方法制备石墨烯来实现石墨烯制备过程中的分层，以降低结块的程度。实验证明，在这种形态和结构下，与传统电容器中的碳基材料相比，电解质离子具有更好的可达到性，不仅能渗透入固态表面结构中，更能渗透入内部区域中。于是，石墨烯片两端都可以接触到电解质进而提到电容储存量。

1.2.2 制造多孔

提高石墨烯比表面积的另外一个途径就是在石墨烯表面制造更多的孔洞。可以采用活化的方法或者制备合适的石墨烯水凝胶。

Pan［12］用KOH修饰石墨烯片层，制备的石墨烯超级电容器比电容达到了136F／g（扫描速率为10mV／s，电解质为1mol／L Na2SO4），这比未改性纳米层石墨烯高35%。主要是因为KOH氧化后的边缘缺陷和含氧官能团的引入，不仅提高了纳米层状石墨烯的电解质离子可进入性，而且还导致了更多的赝电容性。Ruoff等［13］将氧化石墨经过微波剥离和还原、KOH活化和热剥离氧化石墨烯，使比表面积达到了3100m2／g（图3）。经活化过程蚀刻和微波剥离的氧化石墨烯，产生了具有极小孔洞的三维网络结构，孔洞大小范围为1～10nm。

图3 采用KOH活化得到多孔的石墨烯Fig.3 Schematic showing the microwave exfoliation／reduction of GO and the following chemical activation of MEGO with KOH that creates pores while retaining high electrical conductivity

除了采用活化的方法来增加石墨烯的比表面积外，美国俄亥俄州代顿市Nanotek Instruments公司与大连理工大学合作，通过弯曲和卷曲石墨烯片，形成了介孔结构，电解液可以更大比例的与石墨烯表面进行接触（图4）。在室温时，能量密度高达85.6Wh／kg，当温度达到80℃时，能量密度甚至可以达到136Wh／kg［14］。

图4 卷曲的石墨烯微片Fig.4 Scanning electron microscopy（SEM）image of curved graphene sheets

制造更多孔洞的另外一个方法是制备合适的石墨烯水凝胶。石高全课题组［15-17］通过化学还原氧化石墨烯的抗坏血酸钠水溶液而制备的三维自组装水凝胶，如图5所示。这种凝胶具有界限清晰、交联的三维孔洞结构，孔径为亚微米到数微米之间。更为重要的是，这种水凝胶具有导电性（1S／m）和力学性能好的特点，并且表现出优异的电化学特性。

图5 加入抗坏血酸钠还原前后的氧化石墨水溶液（2mg／mL）和2-氨基蒽醌功能化改性石墨烯（AQSGH）的扫描电子显微镜（SEM）照片Fig.5 Photograph of an aqueous mixture of GO（2mg／mL）and sodium ascorbate before and after chemical reduction and SEM image of AQSGH

1.3 石墨烯电极材料的复合

1.3.1 与赝电容电极材料结合

石墨烯超级电容器双电层的物理储能机理注定其不能通过化学还原来储存更多的能量，为此可以考虑将双电层储能跟赝电容储能相结合，从而发挥各自的优势。与石墨烯进行复合的赝电容电极材料主要包括与金属氧化物和聚合物电解质。

复合的金属氧化物包括氧化钌［5］、二氧化锰（MnO2）［18］、四氧化三铁［19］、氧化铈［20］、氧化锌［21］、氢氧化镍［22］、氧化钴［23］等。其中，MnO2因其环保性、低成本和储量丰富的特点，被认为是非常具有前景的超级电容器电极材料。Fan等［24］研究了一种快速合成石墨烯-MnO2复合材料的方法，他们是通过微波辐射下纳米MnO2在石墨烯表面受限沉积（self-limiting）的沉积作用来实现，含有78%MnO2的石墨烯-MnO2复合材料表现出310F／g的最大比电容。更为显著的是，经历15000次循环后，扫描速率为500mV／s下，含有78%MnO2的石墨烯-MnO2复合材料的比电容仅下降4.6%，显示了电极材料优异的电化学稳定性。

复合的导电聚合物主要包括聚苯胺、聚吡咯、聚乙撑二氧噻吩等［25-29］，及其衍生物。在这些聚合物材料中，聚苯胺（PANI）因其高电容特性、低成本、制作容易等特性而成为最有前景的。Hao等［30］报道了一种新型电极材料，这种电极材料基于氧化石墨烯片层掺杂纤维状PANI制得，纤维状PANI是在氧化石墨烯存在下通过单体原位聚合制得。复合材料的特性电容高达531F／g，这比单纯PANI材料的比电容高很多，显示了氧化石墨烯和PANI间的高效协同作用。Wei和Han等［25］探讨了在氧化石墨烯片层上垂直排列的PANI纳米线结构（图6）。氧化石墨烯独特结构和力学性能限制了氧化还原过程中PANI的机械变形，避免了电极材料的破坏，获得了更好的稳定性。另外，垂直排列的纳米线具有应力松弛性，降低了在掺杂和解掺杂过程中结构破坏。

1.3.2 其他材料掺杂和复合

（1）与碳纳米管（CNT）复合

CNT因其优越的导电性和较大的比表面积在很多领域均有应用，将其与石墨烯进行复合制备超级电容器也是众多研究者的研究重点。日本物质材料研究机构（NIMS）通过在石墨烯中添加CNT来制作电极，使输出功率密度与能量密度达到了前所未有的水平［31］。NIMS发现，在石墨烯中添加CNT之后，CNT会通过自组织方式自然地进入石墨烯中，这制造了适当的间隙，使电流及离子的密度增加，添加CNT之后的石墨烯电极的导电方式如图7所示。电极单位质量的输出功率密度达到了58.5kW／kg，单位质量的能量密度达到了62.8Wh／kg，是采用活性炭电极时的10倍。在采用离子液体作为电解液时，能量密度进一步提高到155.6Wh／kg。

图6 PANI在石墨烯片层上垂直排列的实物图和示意图Fig.6 Polyaniline located in graphene layers vertically on the physical and its schematic diagram

图7 添加CNT的石墨烯电极材料构造Fig.7 Structure of graphene electrode materials with CNT

李丹等［32］采用氧化石墨烯水溶液作为分散剂悬浮非官能化CNT，制备超级电容器证明了石墨烯基材料和CNT材料存在有效的协同作用。Dai等［33］利用静电自组装法制备了石墨烯-CNT杂化膜材料。此杂化膜相互贯连的均匀纳米孔结构利于离子的快速扩散，从而使得此杂化膜可以用作超级电容器的电极材料。这种电极材料制备的超级电容器的循环伏安曲线成矩形，在高达1V／s的扫描速率下，这种石墨烯-CNT膜材料仍然可以获得120F／g的平均比电容值。有些研究还将石墨烯与金属氧化物和CNT共同混合制备超级电容器电极，如图8所示［34］。

图8 石墨烯与MnO2和CNT的复合示意图Fig.8 Schematic diagram of graphene with manganese dioxide and carbon nanotube composite

CNT因其昂贵的制造成本和不易分散的本质使其应用受到限制，目前只是将石墨烯与CNT进行复合制备聚合物太阳能电池的电极。

（2）氮掺杂

氮原子由于具有与碳原子近似的原子半径，可以作为电子供体以取代的方式对石墨烯进行掺杂，且生成的氮掺杂石墨烯表现出较纯石墨烯更多的优异性能。苏鹏等［35］以氧化石墨为原料，尿素为还原剂和氮掺杂剂，通过调节原料与掺杂剂的质量比，在160℃、3h水热条件下合成了不同氮掺杂含量的石墨烯。电化学测试表明，氮元素含量为7.50% 的掺杂石墨烯的超级电容性能最佳，比电容可达到184.5F／g。经1200次恒流充放电循环后，比电容仍可维持在87.6%，显示出较高的比电容和良好的循环寿命。这主要归因于材料的介孔结构、较原料氧化石墨增大的电导率和掺杂进石墨烯晶格中的氮原子。

1.4 特殊结构设计

为了充分利用石墨烯平面内良好的导电性，Yoo等［36］采用新型的结构设计，此设计有效地避免了常规设计中石墨烯微片相对于集流体无规取向和并排叠层所造成的离子和电子传输困难的弱点。新型的结构设计（图9）将石墨烯的平面与集流体进行垂直，从而进一步发挥其在同一平面内的高导电性能。

2 电解质的影响

碳基超级电容器电极材料的一个重大问题是电极材料的整个表面不能与电解质有效电化学结合。这主要是由以下原因造成的：（1）多孔碳的微孔太小（＜2nm），限制了分子和离子的传输；（2）类似石墨表面的憎水性限制了与电解质的结合，进而限制了双电层的形成。目前的电解质主要是水性电解质、有机电解质等。水性电解质不仅容易泄露，其操作电压也只能限制在1V。传统的有机电解质，例如乙腈中的四乙基四氟硼酸盐、三乙基四氟硼酸盐溶液，可以用来制备相对较宽操作窗口的超级电容器。但其容易随电荷消减而消减，操作温度相对较窄，安全性也较低。为此，离子液体因具有高离子导电性、宽的电化学窗口（高达7V）、优异的热稳定性（典型为-40～200℃）、不挥发性、不燃性及无毒性，使其成为石墨烯超级电容器电极材料的更好选择。

Rao等［37］率先使用离子液体作为石墨烯基材料超级电容器的电解质，石墨烯基电极材料采用热剥离方法制得。然而，由于相对较低的比电容（75F／g），在5mV／s的扫描速率下，60℃时仅获得了31.9Wh／kg的能量密度。为了进一步改善石墨烯基材料和离子液体电解质间的相容性，Suh等［38］混合了聚离子液体改性的还原氧化石墨烯（PIL∶RGO）和离子液体电解质［1-乙基-3-甲基咪唑鎓双（三氟甲基磺酰基）亚胺（EMIM-NTf2）］制备了高性能超级电容器（图10）。结果表明，由PIL∶RGO作为电极材料，以EMIM-NTf2作为电解质的超级电容器表现出187F／g的比电容。

如上述Jang等［14］采用卷曲的石墨烯与离子液体1-乙基-3-甲基咪唑四氟化硼（EMIM BF4）制作的超级电容器，可以在高达4.5V的电压下工作，在室温下1 A／g的电流密度下，具有优秀的能量密度值（85.6Wh／kg）（或者80 ℃下的136Wh／kg），这可以与目前混合动力汽车中使用的镍氢电池相媲美。

图9 石墨烯电极的结构设计对比Fig.9 Comparison of graphene electrode structure design：traditional design and new design

图10 PIL∶RGO和离子液体EMIM-NTf2组成的超级电容器示意图Fig.10 Schematic diagram of the supercapacitor based on the PIL∶RGO electrodes and ionic liquid electrolyte EMIM-NTf2

在石墨烯超级电容器应用领域，有更多的研究者将目光投向了聚合物电解质，不仅可以避免水性电解液泄露的问题，还可以省去黏结剂直接涂覆在石墨烯薄膜和其他柔性基质上，以制备可弯曲的超级电容器。

3 未来发展方向

图11 DVD刻录机制备超级电容器过程Fig.11 Schematic illustration of the fabrication of laser-scribed graphene-based electrochemical capacitors

根据石墨烯本身的特点和消费者对电子器件的要求，未来超级电容器的发展方向将是柔性石墨烯超级电容器。2013年3月，美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）的研究人员开发出的石墨烯微型超级电容器，不仅外形小巧，而且充电速度为普通电池的1000倍，可以在数秒内为手机甚至汽车充电，同时可用于制造体积较小的器件［39］（图11）。该超级电容器的基质采用柔性基质，电解液采用高分子电解液，得到的全固体超级电容器质轻、柔性，且电解液不容易发生泄漏。其中的高分子电解液不仅充当电解液的功能，还充当隔膜的作用，进一步使电容器的厚度减小（图12）。从图13可看出，设备弯曲的角度对其电化学的性能影响很小。

图12 全固体超级电容器的结构示意图（嵌入图为实物图）Fig.12 Schematic diagram of the all-solid-state LSG-EC

还有些研究者采用棉布或者其他的纤维素纤维做基底来制备柔性石墨烯超级电容器［40-42］。Weng等［40］采用纤维素纤维与石墨烯纳米微片做电极，制备得到的石墨烯超级电容器具有较好的力学性能、比电容、功率性能和优越的循环稳定性。其制备的柔性超级电容器的器件如图14～17所示，有望将其用在便携和柔性电子器件中。

图14 弯曲器件与常规的循环伏安曲线比较Fig.14 Comparison of CV curves at 2mV／s for a flexible laminated poly-SC tested as normal and bent

图15 石墨烯纤维素纸薄膜的透射电子显微镜（TEM）照片Fig.15 TEM images of a cellulose fiber in a GCP membrane

图16 3个超级电容器单元点亮一个LEDFig.16 Photograph of a red LED lit by an in-series poly-SC with three units

图17 柔性器件照片Fig.17 Photograph of a flexible interdigital GCP poly-SC

中国科学院兰州物化所通过简单的刷涂和热处理技术制备了石墨烯／棉布柔性电极，组装得到的石墨烯超级电容器示意图及实物图如图18所示。其中石墨烯与棉布有很好的黏结性，棉布本身的三维网络结构对电解液的浸入也更有利。结果表明，石墨烯／棉布柔性电极具有较高的比容量、功率密度、能量密度以及良好的稳定性，是一种价格低廉、环境友好的电极材料［41］。此外，该研究小组采用简单的火焰还原法将氧化石墨烯纸快速还原为石墨烯纸（图19），结果表明石墨烯纸在不同体系电解液中均具有良好的电容性能［43］。

图18 石墨烯／棉布柔性电极形貌Fig.18 Schematic diagram of the structure of a assembled symmetric supercapacitor and a relief image photo of the assembled supercapacitor

图19 火焰法制备石墨烯纸的过程Fig.19 Preparing process of graphene by flames

除以上研究之外，最近，很多研究机构还将重点瞄向了石墨烯量子点等工作。如中科院兰州物化所关于量子点的研究工作［44］，韩国蔚山国家科学技术学院合成的介孔石墨烯纳米球［45］。为了提高超级电容器耐温程度，Borges等［46］将电解液采用黏土和离子电解液混合制备的超级电容器的耐温可以达到200℃。

4 石墨烯超级电容器的生产及应用

4.1 石墨烯超级电容器的生产

基于石墨烯制备技术的局限，目前石墨烯超级电容器的应用还只停留在实验室阶段。石墨烯的制备多只是小试和中试阶段，制备的石墨烯多为氧化石墨烯和多层石墨烯，还未能达到大量地制备单层石墨烯。目前生产石墨烯的厂家主要包括Angstron Material、Vorbeck Materials 、XG Sciences、ACS Material等。其中前三者为吨级的生产厂家，Angstron Material主要是生产50～100nm的石墨烯微片。ACS Materials（氧化石墨烯系列和CVD系列）产品包括石墨烯的系列产品，并在先锋纳米科技公司有代理。其中惟一用在超级电容器方面的为XG Sciences，该公司的x-GnP已经被美国空军研究院选作超高能量超级电容器的储能系统。

国内生产石墨烯的厂家为先锋纳米科技、凯纳集团、墨西科技、金路集团、中国宝安、中航三鑫等。他们的产品主要为氧化石墨烯和石墨烯微片，目前多用在锂电和超级电容器的电极、导电添加剂、导热薄膜、防腐涂料和增强剂等。其中最为瞩目的要属墨西科技与宁波所刘兆平团队合作的中试生产线。另据2013年10月22日报道，河北唐山市高新区建华集团石墨烯一期生产线正式投入使用，成为全国首条投入使用的石墨烯生产线。目前，他们已自行开发出扣式石墨烯超级电容器和卷绕式石墨烯超级电容器，并在设计中试生产线，预计2014年9月可建成投产。

对于石墨烯超级电容器的实际生产和应用，目前普通的超级电容器厂家也是在原来的基础上逐步将加入石墨烯电极材料的应用，以制备石墨烯超级电容器。生产超级电容器的国内厂家包括：上海奥威科技、辽宁百纳、哈尔滨巨容新能源、北京合众汇能科技、凯迈嘉华、集星科技、锦州凯美能源、双登集团等。国外的生产厂家包括：美国的 Maxwell、韩国的Nesscap、日本Panasonic、法国的Bollore、俄罗斯ELIT公司、俄罗斯ESMA公司等。

4.2 超级电容器的应用

根据容量的不同，超级电容器可分为小、中、大容量：3～50F、90～360F、600～5000F。根据容量的大小其应用领域包括日常电器设备、电动汽车、新能源、军事和无线电通信等。根据市场情况，目前超级电容器的市场主要是消费类电子产品，未来的市场则向交通运输和新能源领域扩大，尤其是混合动力电车、风力发电、太阳能、智能电网等方面，市场分布如图20所示［47］。

走在超级电容器应用前列的要属上海奥威科技，该公司生产的61辆纯电容公交车，在上海世博会运行172天时间里运送旅客4000多万人次。同时，如图21所示，奥威科技生产的超级电容器还用在电动汽车和游览观光车等。

图20 石墨烯电容器的目前市场结构和未来市场结构图Fig.20 Current and future market of graphene supercapacitors

图21 奥威科技公司生产的电容公交车和游览观光车Fig.21 Capacitance bus and sightseeing car produced by Aowei technology company

另外，根据超级电容器本身能量密度低的特点，将其与锂动力电池、燃料电池、蓄电池组合形成混合动力系统，以同时满足高能量密度和瞬间高功率密度的要求。日本富士重工推出的电动汽车就是使用的日立机电制作的锂离子蓄电池和松下电器制作的储能电容器的联用装置。法国Bollore和法国电力公司合作得到的BatScap Bluecar于2012年日内瓦车展“绿色展览馆”上展出（图22）。此汽车采用的电力系统包括：锂金属聚合物电池（Lithium Metal Polymer，LMP）和超级电容器。其中LMP电池主要是固相的锂金属聚合物电池，能储存相当于传统电池的5倍的能量，并且可以重复充电几小时。它不需要任何保养和维修，寿命可以达到200000km，还有安全、无污染的优点。在达到其寿命后，可以回收将其成分重复循环使用。采用LMP电池和电容器的电动车，可以达到250km的路程，且速度可以达到130km／h。

图22 法国Bollore和法国电力公司合作得到的BatScap汽车Fig.22 BatScap car manufactured by French Bollore and France electricity company cooperation

除此以外，超级电容器还可以用来回收电梯中的多余能量，改善城市轨道交通中的电网电压和军事领域的战车混合电传动系统、激光武器、舰用电磁炮、坦克低温启动等。此后，根据石墨烯的量产情况，石墨烯超级电容器均有希望应用于以上领域。

5 结语

石墨烯具有比表面积大、优异的导电和导热性，将其用作超级电容器的电极，制备的石墨烯超级电容器具有大功率、快速充放电、循环稳定性强等特点。目前石墨烯超级电容器的研究方向主要是电极材料的优化、整体电容器的性能提升。主要针对石墨烯微片本身进行化学改性来增大其比表面积，从而有利于电解液的进入，以进一步提高超级电容器的电化学性能。超级电容器的基质采用柔性基质，电解液采用聚合物电解液或者离子电解液，可以制得柔性的超级电容器，有希望用在柔性、轻质的电子器件当中。其次，石墨烯还可与导电聚合物和金属氧化物等赝电容电极材料进行复合，得到的超级电容器兼具两者的优点。鉴于超级电容器的优点，可根据容量的大小不同，将其用在新能源、交通运输、消费电子产品、工业等领域。应能源和环境的需求，其中新能源动力电车、风力发电等逐渐成为应用的重点领域。应用的趋势是将超级电容器和电池进行组合连用，以弥补两者在能量密度和功率密度的不足。根据石墨烯实际的产业化进展情况，当前的问题是如何获得低成本批量化生产大面积的石墨烯材料，从而进一步发挥石墨烯材料在超级电容器领域的应用。

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