石墨烯基超微型电容器研究的关键问题剖析

　　近年来，随着高度集成化、轻量便携化、可穿戴式、可植入式等新概念，特别是柔性化电子产品概念的不断提出，迫切需要开发与其高度兼容的具有高储能密度、柔性化、功能集成化的微型储能器件。

　　为实现这一目标，该研究团队在前期研究中将甲烷等离子体还原技术和光刻微加工技术相结合，成功制备出石墨烯基高功率平面微型超级电容器；采用层层自组装氧化石墨烯与多聚赖氨酸，并在层间插入硼酸，经高温处理获得氮硼共掺杂的石墨烯薄膜应用于高体电容和倍率性能的微型超级电容器；利用交替堆叠的方法制备出高致密、高导电性聚合物/石墨烯、活化石墨烯/石墨烯薄膜材料，应用于高比能量微型柔性超级电容器；利用喷涂方法制备出石墨烯导电聚合物薄膜，应用于超薄、可打印、且具有交流线性滤波功能的超级电容器。

　　这些柔性化、微型化超级电容器对于未来的电子器件展现出重要的应用前景。

　　该工作得到了国家青年千人计划、国家重点研发计划、国家自然科学基金、辽宁省自然科学基金等项目的资助。

　　石墨烯基超微型电容器研究的关键问题

　　全石墨烯基微型超级电容器示意图（a）和光学照片（b），从左到右依次为条带并行型平面超级电容器、同心圆型平面超级电容器、梳子型平面超级电容器、三明治构型超级电容器

　　目前石墨烯基微型超级电容器的研究虽有进展，但仍处于起始基础研究阶段，仍然有许多问题或挑战亟待解决。要发展低成本、高性能石墨烯基微型超级电容器需考虑以下3个重要方面：

　　（1）石墨烯及其复合纳米材料的低成本、宏量控制制备是从根本上改善微型超级电容器性能的关键。

　　事实上，石墨烯薄膜的形态和微结构的可调节性，对于改善微型超级电容器的性能非常重要。需要指出的是，为了获得高性能石墨烯基微型超级电容器，充分理解石墨烯材料的微观结构和电化学性能之间的构效关系是绝对必要的。考虑到二维石墨烯应用于微型超级电容器可以显著提高电解液离子与石墨烯薄膜微电极在水平方向上的相互作用，与其类似的其他二维纳米片，如无机氧化物和硫化物材料（MnO2、TIO2、Co3O4等），可以用作新型微型超级电容器的电极材料。

　　（2）开发新的、简单的、低成本的，以及在任意衬底上可获得均匀的、导电的、大面积的石墨烯基薄膜制造技术，是获得高性能的微型超级电容器的另一个关键问题。

　　典型的薄膜生产方法包括旋涂、喷涂、真空过滤、电化学聚合和层层自组装，其中有些方法可以有效地提高微型器件的性能。为了达到这个目标，需要考虑两个关键成膜因素：一个是要解决与基板表面兼容的石墨烯基材料的可加工性，这对于改善器件性能是不可缺少的；另一个是薄膜制备技术的可放大性，即是否可以实现薄膜高效大面积的生产。在这方面，喷墨印刷、丝网印刷等技术成本低，并且可以快速地在各种基底材料上大规模生产不同的薄膜材料，如纳米碳、聚合物、氧化物和金属薄膜。因此，在这种情况下大规模生产的微型超级电容器将更具市场竞争力和应用前景。

　　（3）不同器件部分（包括电极、电极液、隔膜、基底、集流体、以及它们之间的界面）的界面融合和整体优化是一个长期的、挑战性的课题。

　　小结

　　石墨烯基微型超级电容器的快速发展，期望能够解决现代社会对微量级能源储存的迫切需要。以石墨烯和其他二维材料为基础的微型超级电容器有望成为超高能量和功率密度的新型的芯片储能器件，能够提供足够的能量和令人满意的峰值功率来满足未来应用在小型化的微系统电子设备的需求。