石墨烯在超级电容器中的应用
炭材料比表面积高、导电能力好、化学性质稳定、容易成型,同时价格低廉、原料来源广泛、生产工艺成熟,是超级电容器领域应用最广泛的电极材料。新型炭材料石墨烯的发现,以其优异的物理化学性质迅速引起了超级电容器研究人员的强烈兴趣。
超级电容器按储能机理可分为双电层电容器和赝电容电容器。双电层电容器通过电极与电解质之间以静电方式聚集电荷形成的双电层来储存电能，电极材料主要是碳材料（如碳纳米管、碳气凝胶等）；而赝电容电容器主要是在电极材料表面发生高度可逆的法拉第氧化还原反应，产生与电极充电电位有关的电容。赝电容电容器一般具有更大的比容量，主要电极材料为金属氧化物和导电聚合物。超级电容器功率密度大、循环寿命长、操作安全，是优秀的功率型储能系统。
超级电容器的独立支撑电极需具有较高的力学强度和大的电容。如前所述，过渡金属氧化物、导电聚合物和具有高比表面积的碳基活性材料为常用的电极材料。而如表1所示，石墨烯与其它碳材料相比，比表面积大、电导率高、化学稳定性好，这些优良的性能使石墨烯及石墨烯基材料成为超级电容器电极材料有力的竞争者。
石墨烯是完全离散的单层石墨材料，其整个表面可以形成双电层，但是在形成宏观聚集体过程中，石墨烯片层之间互相杂乱叠加，使得形成有效双电层的面积减少。如果其表面可以完全释放，则将获得远高于多孔炭的比容量。在石墨烯片层叠加而形成宏观聚集体的过程中，通过控制条件使其形成的孔隙集中在2.0nm以上，有利于电解液的扩散。而且其独特的二维结构使其不需要添加剂或黏结剂就能够通过控制微观结构自组装成三维宏观结构而直接用于超级电容器。
石墨烯超级电容器的比容量与石墨烯材料的有效比表面积和孔径分布有关。纯石墨烯在无机电解液中的比容量一般为100~200F/g，在有机电解液和离子液体中则相对偏低。通过适当的活化改性处理，可以改善石墨烯的电化学性能。单一石墨烯制成的电极材料往往很难将它的优异性能完全体现，因此研究者们还将导电聚合物、金属氧化物、其它碳材料等均匀分散于石墨烯表面，在石墨烯片层间形成阻隔，防止其重新聚集，从而提高石墨烯的有效比表面积和比容量。
2008年,M.D.StoUer等在NanoLetters上报道了以石墨稀作为电极的超级电容器,并分别测试了其在水系和有机电解液中的比电容,分别可以达到135F/g和99F/g,略高于碳纳米管为电极的超级电容器。2009年,Y.Wang等在J.Phys.Chem.C上报道了以肼蒸汽处理后的氧化石墨烯作为电极材料在水系电解液中比容量达到205F/g,能量密度达28.5Wh/kg。
2010年,S.Biswas等ACSappliedmaterials上报道了以纳米级、尺寸可调的石墨烯片层形成多层石薄膜电极然后组装成电容器,在水系电解液中大电流放电条件下比容量最高可达80F/g。
石墨烯本身有很强的团聚趋势，会影响电容器的能量储存和循环寿命。Dong等制备出分层结构的石墨烯材料用于改善超级电容器的性能，其比容量接近单层石墨烯理论值。将其与聚苯胺纳米棒复合后复合电极比容量高达763F/g。
目前，大多数观点认为化学法还原氧化石墨烯都需要在高温环境下进行，但Lü等成功地在真空环境中、远比理论临界剥离温度低的温度（200℃）下制得石墨烯，原理如图4所示。这种方法得到的石墨烯比高温法制得的石墨烯比容量更高，达到了279F/g。
石墨烯在超级电容器中的出色表现主要是由于石墨炼具有高的比表面积,如果表面有效释放,将获得远高于多孔炭的比电容;其良好的导电性和开放,有利于电极材料/电解质双电层界面的形成,保证材料表面的有效利用,使其具有很好的储能功率特性;通过表面改性、复合、修饰等手段对石墨烯进行二次构建、优化结构,能够获得更多的储能空间。此外,石墨原料储量丰富、便宜,化学法制备的石墨稀成本较低,在对其工艺进行优化、放大之后,化学法制备的功能化石墨稀有望成为潜力巨大的储能材料。
