平面內(nèi)微型超級(jí)電容器用石墨烯的研究進(jìn)展與展望

微型電容器具有功率密度高、循環(huán)壽命長等優(yōu)勢(shì)，可望用于射頻識(shí)別標(biāo)簽、無線測(cè)量節(jié)點(diǎn)、遠(yuǎn)程傳感器等微型電子器件。然而，微型電容器的能量密度制約了其實(shí)際應(yīng)用。影響微型電容器性能的一個(gè)重要因素是電極材料，對(duì)電極材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，有望大幅提高微型電容器的能量密度。

石墨烯是新型納米炭材料，由sp2雜化碳原子緊密堆積成二維蜂窩狀晶格，具有電子電導(dǎo)率高、比表面積大等特點(diǎn)，用于構(gòu)筑平面構(gòu)型的微型電容器具有顯著優(yōu)勢(shì)。由于電場(chǎng)與石墨烯的晶面平行（圖1），離子的輸運(yùn)更加容易，從而有利于增大石墨烯的可用電化學(xué)比表面積，提高比電容。近年來，石墨烯用于平面微型電容器的研究受到極大關(guān)注。

圖1.石墨烯基平面微型電容器中離子傳輸示意圖

近日，中國科學(xué)院金屬研究所李峰研究員課題組在《新型炭材料（中英文）》（New Carbon Materials）上發(fā)表綜述“Progress and prospects of graphene for in-plane micro-supercapacitors”，從電極材料設(shè)計(jì)的角度，總結(jié)了平面微型電容器用石墨烯和石墨烯基材料的最新研究進(jìn)展（圖2）。首先討論了微型超級(jí)電容器的器件結(jié)構(gòu)、制造技術(shù)和性能指標(biāo)。進(jìn)一步總結(jié)了通過不同方法制造的石墨烯電極材料，包括化學(xué)氣相沉積石墨烯、液相剝離石墨烯、氧化還原石墨烯和激光誘導(dǎo)石墨烯等，并總結(jié)了石墨烯與其它材料（碳納米管、過渡金屬氧化物、導(dǎo)電聚合物或其它二維材料）復(fù)合的電極設(shè)計(jì)，同時(shí)討論了電極材料結(jié)構(gòu)和電化學(xué)性能之間的構(gòu)效關(guān)系。最后，提出了石墨烯基平面微型電容器面臨的挑戰(zhàn)，并對(duì)其未來發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

圖2.平面微型電容器用石墨烯和石墨烯基材料

近十年，石墨烯基平面微型電容器的性能得到顯著提高，但發(fā)展仍處于起步階段。從電極材料、電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，到器件的制備和集成，仍有較大研發(fā)空間（圖3），如：（1）通過復(fù)合、摻雜、孔結(jié)構(gòu)等策略，改進(jìn)電極材料；（2）通過減小叉指間距、三維電極設(shè)計(jì)等，提高電荷存儲(chǔ)效率；（3）在制備方面，發(fā)展超快/高通量制備技術(shù)和封裝工藝等；（4）對(duì)器件進(jìn)行大規(guī)模集成，發(fā)展自驅(qū)動(dòng)集成微系統(tǒng)，引入智能功能（如自愈合、刺激響應(yīng)等）。

圖3. 石墨烯基微型電容器的研究展望

審核編輯 ：李倩