中國粉體網訊 近日，美國《彭博商業周刊》記錄了一位華人科學家在美國開創科技公司后遭受美國政府不公正調查，最終決心離開美國的故事，其中包括失敗的陷害，機場逮捕以及毫無根據的兒童色情搜索。
上述記錄表明，該華人科學家名為趙鑫，曾于2012年在博士期間開發出一種石墨烯超級電容器，并獲得了能源研究領域的世界頂級獎項。
據公開資料顯示，趙鑫于1997年畢業于中南工業大學材料系(后更名為中南大學)，2000年獲得清華大學材料學碩士，2006年獲美國威廉和瑪麗大學應用科學博士學位。2007至2013年，作為全職科學家，任職美國能源部下屬“杰弗森國家實驗室”。因基于直立型石墨烯的超級電容方面的發明成果，獲得世界技術（能源類）獎，現任深圳溢鑫科技研發有限公司總經理。
據中國粉體網小編的了解，2016年，高性能石墨烯及其復合材料作為大容量超級電容器儲能裝備重點攻關技術被列入《中國制造2025-能源裝備實施方案》。隨著人們對石墨烯各項性能，尤其是電性能研究的深入，有研究者預測，在眾多應用中，石墨烯作為超級電容器的電極材料有可能成為目前石墨烯最具突破性的應用。
石墨烯在雙電層電容器和贗電容電容器中的應用
超級電容器在新能源汽車、發電、航空航天、信息技術等領域具有廣闊的應用前景，因其具有超大的容量(1~10Wh/kg)、高功率密度(1000~2000W/kg)、長循環壽命(＞100000次)、充放電效率高(1～30 s)、使用溫度寬等特點，還對環境無污染，且具有較高的安全性能，因而在近些年引起了世界的廣泛關注。
超級電容器從儲能機理上可分為雙電層電容器和贗電容電容器。雙電層電容器是一種通過將電荷物理地存儲在電極/電解質界面實現能量儲存的超級電容器，是工業中應用最廣泛的電容器。其特殊的儲能原理使其具有高功率密度，可快速充放電的優勢；同時充放電過程不產生氧化還原反應熱，具有極高的循環壽命。
具有高比表面積和高化學穩定性的碳材料是雙電層電容器的主要電極材料。活性炭由于具有高表面積、高填充密度和低成本等優點，是工業上應用最廣泛的電極材料。然而，由于富含高比例的微孔結構，高電流密度下雙電層電容器的電解液離子很難到達活性炭的內表面微孔，影響高倍率下的能量密度。
石墨烯具有完全外露的表面，有利于離子快速輸運至其表面構建雙電層電容。同時，石墨烯（sp2雜化碳）相比活性炭（sp3雜化碳）具有更高的電導率和更好的結晶度，有利于電子的快速轉移和電化學穩定性，對于下一代離子液體系的高電壓窗口雙電層電容器具有重要的意義。
贗電容電容器是通過電極活性物質（過渡金屬氧化物或導電聚合物）發生高度可逆的化學吸附脫附或者氧化還原反應而實現能量儲存的。由于儲能過程不僅發生在電極活性物質表面，并且可以深入材料體相準二維空間，因而可獲得比雙電層電容器高的容量，但其快充快放特性及循環穩定性相較于雙電層電容器而言欠佳。與電池類似，贗電容電容器的電極活性物質導電性差，石墨烯作為導電劑的添加，可降低器件電阻。同時石墨烯還可以起到分散所負載的贗電容電極材料的作用，從而在協同導電與分散兩方面，提高器件循環穩定性。
基于儲能機理的不同，雙電層電容器在可快速充放電、循環壽命長上有更好的表現，已實現了產業化生產及應用。且石墨烯在雙電層電容器中除了可作為導電介質外，更被認為是潛在的電極替代材料。
石墨烯應用于雙電層電容器存在的問題
在應用于雙電層電容器中，尤其是考慮產業化應用，石墨烯也存在一些亟待克服的問題。
純度問題：無論是化學氣相沉積法（CVD）還是液相剝離法均可能引入金屬雜質和含氧官能團導致產氣，使得電極材料和集流體間的接觸變差。
層間堆疊問題：在構建電極宏觀聚集體的過程中，石墨烯極易發生層間堆疊而損失有效比表面積。尋求克服或削弱層間堆疊的方法，是解決石墨烯應用于雙電層電容器的關鍵步驟。
圖：通過將石墨烯和碳納米管物理混合，削弱石墨烯片層間的面-面接觸
吸液量問題：石墨烯以介孔結構為主，同時密度極低（僅為空氣的３倍），用作雙電層電容器電極材料時的吸液量高達其自身質量的2~100倍，當沿用傳統的先制漿后涂布的電極制備工藝，在控制電極厚度相同的情況下，烘干后的石墨烯基電極片的密度顯著低于活性炭基電極片。
離子輸運問題：離子輸運問題是石墨烯密實化后必然要解決的問題。據研究報道，解決此問題的思路之一是制備定向排列的石墨烯結構，構建離子輸運的“高速公路”。
圖：兼具大比表面積、高效的電子離子傳遞通道和高的堆積密度的多孔石墨烯骨架材料
綜上所述，石墨烯在用作主體電極材料的雙電層電容器領域，仍存在純度較低、層間易堆疊、吸液量較大等工程問題，尤其在離子液體體系的雙電層電容器中，大尺寸、高黏度離子的輸運問題仍十分嚴峻。石墨烯-離子液體系雙電層電容器（3.5~4Ｖ）替代目前已商業化的活性炭-有機系雙電層電容器（2.7~3Ｖ）仍需要長期的技術攻關。
另據學者估計，未來面向雙電層電容器市場的高端石墨烯的中國需求量每年在百噸級至千噸級。未來石墨烯在混合動力電池中的應用需求量將比在純動力電池的需求量更大。石墨烯的產量、品質與性價比將會隨著這些行業的蓬勃發展，進一步得到提升并逐步接近市場成熟化。
資料來源：
崔超婕，田佳瑞，楊周飛等.石墨烯在鋰離子電池和超級電容器中的應用展望.材料工程
滕瑜，陳福亮，張文莉等.石墨烯突破性應用之超級電容器.云南冶金
彭博商業周刊、中南大學材料科學與工程學院。
注：圖片非商業用途，存在侵權告知刪除！
