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当超级电容器遇上石墨烯 会擦出什么火花?

2017-07-26 01:11
flinay
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分阶段发展石墨烯基超级电容器

超级电容器中电极材料的性能及适用的电解液的电压窗口

适于电容特性的石墨烯纳米纤维

由于产量小,生产不成规模,目前高端石墨烯的价格与银相当,为4500~6000元/公斤。这在客观上阻碍了石墨烯在包括超级电容器等领域中的各种应用。纵观各类材料的放大制备与价格规律,应用面的成熟、扩大与品质的提高,产量的提升与价格的下降是相辅相成的。

因此,以发展的眼光来看待石墨烯在超级电容器中的作用,既符合历史规律,又不属臆断猜测。笔者试图将石墨烯基电容器的发展划分为三个阶段。

石墨烯助力活性炭电容阶段

这个时期的特点在于,活性炭仍是电容的主导电极材料,石墨烯的加入量通常小于3%~4%, 只是充当导电剂的角色,帮助活性炭电容降低内阻,提高使用寿命或适当提升功率密度。以目前我国高端活性炭电极材料用量约为1000吨/年计,石墨烯的用量约为30~40吨/年。例如,天奈科技公司(Cnano Technology)在2007年将碳纳米管率先应用于锂离子电池的导电剂,目前碳纳米管已经成为动力锂离子电池导电剂的较优选择,正形成一个可观的产业。依此类推,石墨烯材料实现导电剂这一功能的时间周期也不需要太长。

由于石墨烯用量少,基于目前活性炭的浆料加工、极片加工与组装工艺,电压平台与测试体系,都不需要革命性的改变,因此是工业上实践可能性最高,最有机会的突破点。

石墨烯部分替代活性炭电极材料阶段

这个时期的特征在于,石墨烯不仅充当导电剂,也充当一部分主体电极材料的功能,与活性炭并存,其质量分数可在20%~40%之间波动。石墨烯的年需求量将增至200~400吨左右,这将形成一个比较可观的产业。然而,由于石墨烯与活性炭共存,所以将受制于活性炭的操作电压平台。此外,由于石墨烯体积占比大,如何保持与原活性炭在极片上相近的面密度,将成为材料加工的关键。如果为了抵消极片密度下降带来的损失,则要求提高石墨烯的结构控制技术并获得更大的可及比表面积的材料。

石墨烯完全取代活性炭电极材料阶段

如果,石墨烯完全取代活性炭电极材料,就将形成一个1000吨/年需求的市场。有利之处在于可以采用全新的电解液体系,提升电容器的电压,发挥出石墨烯的高化学稳定性、高导性、离子易吸附性等诸多优势。但可能会引起电极材料的堆积密度更低,而要提高极片密度将需要重新架构,这是一大挑战。

总之,超级电容储能是一个复杂的高技术领域,对于电极材料的要求客观上存在着“木桶短板理论“,即木桶所能够盛的水,取决于最短的板,而不是最长的板。而在比表面积、纯度、孔的拓扑结构、电化学稳定性和导电性等各方面,石墨烯都要胜活性炭“一筹” 。那么一旦克服石墨烯“小的堆积密度与较大吸液量” 这一短板,石墨烯即可取代活性炭。而这取决于化学气相沉积制备技术的提升,以及介于液体与固体的软物质层次的复杂相互作用与控制的理论研究的深入。

石墨烯用于双电层超级电容器的发展路线图预想

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