超级电容器的应用及发展前景

基于石墨烯材料的超级电容器的研究越来越受到人们的关注。石墨烯具有较大的理论比表面积和良好的导电性，其本身便作为电极材料表现出典型的双电层电容。石墨烯特殊的结构和性质，使得其可以作为大多数功能基团的载体或者导电基底。此外，很多的金属氧化物（如二氧化锰、氢氧化镍、四氧化三铁等）和导电高分子材料（如聚吡咯、聚苯胺等）具有非常高的理论电容量，但是它们的导电性能和稳定性太差。因此，将金属氧化物或者高分子材料与石墨烯进行有效的结合或者组装，可以实现更高电容量的电极材料，甚至发掘出新的性质。

Ruoff课题组利用氢氧化钾活化-微波技术剥离的氧化石墨烯，比表面积可达3 100 m2·g-1。在电流密度为5.7 A·g-1下，比电容可达166 F·g-1，相应的功率密度约为250 kW·kg-1［98］。石高全课题组采用一步水热法制备出了石墨烯水凝胶，并将该石墨烯凝胶切成薄片组装成超级电容器进行测试（图1.22）。实验结果表明，这种三维石墨烯水凝胶具有很好的电荷传输能力，其电容值为（165±10）F·g-1，比未进行组装的还原氧化石墨烯材料的电容值（100 F·g-1）要高出很多［80］。

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图1.22　基于石墨烯水凝胶的超级电容器［80］

本课题组利用电化学方法制备的聚苯胺修饰的石墨烯纳米片，在电流密度为0.3 A·g-1下，比电容可达372 F·g-1［89］。此外，国家纳米中心魏志祥课题组利用氧化石墨烯表面的含氧官能团作为苯胺聚合的活性位点，成功制备出了聚苯胺纳米阵列修饰的氧化石墨烯结构，该特殊结构在电流密度为0.2 A·g-1下，比电容可达555 F·g-1，并且经过2 000次的不间断循环测试之后，该复合物依然能够保持92%的电容量［99］。Zhu课题组利用化学合成的方法制备出了一维结构的二氧化锰修饰的氧化石墨烯的复合材料，在超级电容器方面表现出了良好的性质［100］。