超級電容器是一種新型儲能裝置，既具有電容器快速充放電的特性，同時又具有電池的儲能特性，而且循環(huán)壽命長且安全性高，因此有人認為超級電容總有一天會取代鋰電池。不過由于其能量密度低的短板，目前超級電容仍扮演著鋰電池的配角角色。但如果有“萬能材料” 石墨烯的加入，那情況會不會變得不一樣？

石墨烯基材料之所以被認為在超級電容器的應(yīng)用中具有極大的潛力，是因為其獨特的二維結(jié)構(gòu)和出色的固有的物理特性，諸如異常高的導(dǎo)電性和大表面積，因此它與傳統(tǒng)的電極材料相比，在能量儲存和釋放的過程中，顯示了一些新穎的特征和機制。

但石墨烯超級電容器的規(guī)模化應(yīng)用需要在保持其優(yōu)異電化學(xué)性能的前提下，實現(xiàn)宏觀尺度（大面積和超高厚度）上的電極制備與組裝。然而，在宏觀厚度的石墨烯電極中，離子擴散通常受到限制，石墨烯片層的堆疊也會引起較大的內(nèi)阻，導(dǎo)致電化學(xué)性能降低。因此，如何設(shè)計制備出兼具宏觀厚度和豐富孔隙結(jié)構(gòu)的電極材料是石墨烯超級電容器產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用所亟需解決的關(guān)鍵難題。

不過就在近期，科學(xué)家在該難題上成功取得了突破——中科院合肥研究院固體所王振洋研究員課題組實現(xiàn)了宏觀厚度石墨烯晶體膜大面積制備。據(jù)悉，科研人員采用過快速高效、過程簡單、環(huán)境友好、可同步圖案化的高能激光誘導(dǎo)法，在聚酰亞胺基底上進行三維多孔石墨烯晶體膜的原位制備。為了調(diào)控激光與聚酰亞胺前驅(qū)體的相互作用，科研人員通過控制原料化學(xué)計量比和酰亞胺化反應(yīng)溫度來調(diào)控產(chǎn)物聚酰亞胺的酰亞胺化程度和分子構(gòu)型，從而改變其熱敏感性。最終，在聚酰亞胺膜上原位生長出厚度高達320μm的分級多孔結(jié)構(gòu)石墨烯晶體膜，其面積和體積比電容高達172.2 mF/cm²和4.13 mF/cm³，展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛能。

聚酰亞胺的熱敏性調(diào)控及宏觀厚度石墨烯晶體膜的激光誘導(dǎo)生長

宏觀厚度石墨烯晶體膜的結(jié)構(gòu)表征

進一步原位電沉積贗電容材料聚吡咯，可以制得石墨烯/聚吡咯復(fù)合電極，其面積比電容高達2412.2 mF/cm²。研究發(fā)現(xiàn)，以該復(fù)合電極材料作為電極制造的平面叉指形柔性全固微型態(tài)超級電容器，可獲得高達134.4μWh/cm²和325.2μW/cm²的能量密度和功率密度，且同時兼具優(yōu)異的倍率性能、循環(huán)穩(wěn)定性和機械柔韌性。

石墨烯/聚吡咯復(fù)合材料的超級電容性能

目前，相關(guān)結(jié)果已以“Ultra-thick 3D graphene frameworks with hierarchical pores for high-performance flexible micro-supercapacitors”為題發(fā)表在Journal of Power Sources上。

來源：中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院