與傳統(tǒng)電容器相比，超級電容器具有更大的比電容、更高的能量密度、更長的使用壽命等特點，而與相比，超級電容器又具有更高的功率密度、更長的使用壽命及綠色環(huán)保等優(yōu)點。超級電容器在未來儲能器件領域占有絕對的優(yōu)勢，在軍事、混合動力汽車、智能儀表等諸多領域具有廣泛的應用前景。

隨著社會的快速發(fā)展和人口的急劇增長，資源消耗日益增加，能源危機迫在眉睫，因此，尋找清潔高效的新能源與能源存儲技術及裝置已成為備受關注的研究課題。與傳統(tǒng)電容器相比，超級電容器具有更大的比電容、更高的能量密度、更長的使用壽命等特點，而與鋰離子電池相比，超級電容器又具有更高的功率密度、更長的使用壽命及綠色環(huán)保等優(yōu)點。超級電容器在未來儲能器件領域占有絕對的優(yōu)勢，在軍事、混合動力汽車、智能儀表等諸多領域具有廣泛的應用前景。

超級電容器是一種介于傳統(tǒng)電容器和電池之間的新型儲能器件，通過在電極材料和電解質界面快速的離子吸脫附或完全可逆的法拉第氧化還原反應來存儲能量，根據(jù)儲能與轉化機制的不同可將超級電容器分為雙電層電容器(Electric double layer CaPACitors，EDLC)和法拉第準電容器(又叫贗電容器，Pseudocapacitors)。雙電層電容器是建立在雙電層理論基礎之上的，1879年，Helmholz發(fā)現(xiàn)了電化學界面的雙電層電容性質;1957年，Becker申請了第一個由高比表面積活性炭作電極材料的電化學電容器方面的專利(提出可以將小型電化學電容器用做儲能器件);1962年，標準石油公司(SOHIO)生產(chǎn)了一種6V的以活性碳(AC)作為電極材料、以硫酸水溶液作為電解質的超級電容器，1969年，該公司首先實現(xiàn)了碳材料電化學電容器的商業(yè)化;1979年，NEC公司開始生產(chǎn)超級電容(Super CaPACitor)，開始了電化學電容器的大規(guī)模商業(yè)應用。隨著材料與工藝關鍵技術的不斷突破，產(chǎn)品質量和性能不斷得到穩(wěn)定和提升，到了九十年代末開始進入大容量高功率型超級電容器的全面產(chǎn)業(yè)化發(fā)展時期。超級電容器作為電化學能源存儲領域的前沿研究方向之一，近十年內有多個突破性工作，其發(fā)展也向著小型化、柔性化、平面化等方向發(fā)展。

石墨烯在實驗室中是2004年被發(fā)現(xiàn)的，當時英國曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈dot;杰姆和克斯特亞dot;諾沃消洛夫發(fā)現(xiàn)他們能用一種非常簡單的方法得到越來越薄的石墨薄片。石墨烯具有優(yōu)異的電導性、超高的比理論表面積、穩(wěn)定的物理化學特性等特點，因此石墨烯基超級電容器具有優(yōu)異的電化學性能，如高的比容量、極長的壽命、極小的阻力等。目前石墨烯基超級電容器研究成為儲能領域的一大熱點，石墨烯基電極材料有望全面超越傳統(tǒng)碳材料而得到廣泛應用。然而石墨烯團聚導致的低表面積和長離子傳輸路徑嚴重限制了石墨烯基電容器的應用價值，因此人們一直致力于制備大比表面積、短離子傳輸路徑的石墨烯基電極材料。

圖1 商業(yè)超級電容器實物圖(a, b)，混合動力汽車中的超級電容器電源(c)

在下面的內容中，材料人網(wǎng)為大家推薦幾篇材料科學領域內超級電容器方向的ESI高被引文章，并按發(fā)文時間順序對十年來的優(yōu)秀文章內容及其通訊作者加以介紹，旨在為讀者了解超級電容器高質量文獻以及這一領域的研究團隊提供便利。

文獻一Preparation and acterization of graphene oxide paper.

(Nature , 2007,DOI:10.1038/nature06016)被引頻次：2551

圖2 氧化石墨烯紙的形態(tài)和結構

自支撐的紙型和薄膜型材料已經(jīng)是當今社會技術中的一部分，它們可以應用在保護圈、化學濾器、電池和超級電容器的組分、粘結層以及分子存儲等方面，納米級的無機紙型材料(比如剝離的蛭石和云母板)已經(jīng)受到很多關注，而且已經(jīng)作為保護涂料、高溫粘結劑、介質阻擋和氣體防滲膜等材料商業(yè)化。來源于巴奇紙的碳納米管顯示出優(yōu)異的機械和電子性能，使它可能應用于燃料電池和結構復合物。文章報道了一種氧化石墨烯紙的制備和表征，這種氧化石墨烯紙是單個氧化石墨烯片層定流控制制備的碳基膜材料。這種新型材料在剛度和強度上超過其他很多紙型材料，這種材料結合了宏觀上剛性和柔性兩種優(yōu)點，紙型的片層之間有很大的表面相互作用力，其褶皺也處于原子級別，褶皺形態(tài)處于亞微米級別，這些條件使材料的宏觀樣品具有高效的載荷分布，也使材料相比于傳統(tǒng)的碳基、黏土基紙更有彈性。類似于氧化石墨烯的廉價原始材料促進了大面積紙型片層的制備，同時可以應用于可控滲透過濾膜、各向異性離子導體、超級電容器、分子儲存材料等。石墨烯氧化紙也可以摻雜或作為物質載體制備含有聚合物、陶瓷和金屬的混合材料。另外，分層的氧化石墨烯片層表面有許多化學官能團使材料具有更多功能。

通訊作者Ruoff教授，2014年之前任美國德克薩斯大學奧斯汀分校(University of Texas at Austin)材料科學與工程講席教授，現(xiàn)已通過韓國杰出科學家計劃引進至韓國蔚山國立科技大學(UNIST)，擔任韓國基礎科學研究院(Institute for Basic Science)多維碳材料研究研究中心(Center for Multidimensional Carbon Materials)主任。作為知名碳材料研究專家，Ruoff教授1988年在University of Illinois-Urbana獲得化學物理博士學位，1988-1989在Max Planck Institute fuer Stroemungsforschung任Fulbright Fellow。他曾經(jīng)于2002-2007年間在美國西北大學作為John Evans Professor并在該校的Biologically Inspired Materials Institute擔任Director。至今Ruoff教授已經(jīng)在化學、物理、材料科學、機械工程以及生物醫(yī)藥工程等領域發(fā)表超過360篇研究論文，并被Thomson Reuters評為2000-2010最頂尖的100名材料科學家之一(排名第16)。他是多家國際期刊的主編或者編委，并曾獲得多項國際學術界獎項。Ruoff教授在材料領域尤其在碳納米材料領域有著深厚的造詣，曾經(jīng)在金剛石、富勒烯、納米碳管和石墨烯領域做出了多項杰出工作，在Science和Nature期刊上發(fā)表多篇文章。

文獻二 Graphene-based electrochemical supercapacitors.

( Journal of Chemical Sciences,2008,DOI: 10.1007/s12039-008-0002-7 ) 被引頻次：475

圖3 石墨烯基超級電容器伏安特性及比電容

2008年，Vivekchand等人首次將石墨烯作為超級電容器電極材料。文章介紹了由三種不同的方法制備石墨烯作為電化學超級電容器的電極材料。制備的石墨烯比表面為925 m2/g，在1.0 mol/L H2SO4中，其比容量為117 F/g，當以電壓窗口較寬離子液體N-甲基丁基吡咯烷二(三氟甲基磺酰)亞胺鹽(PYR14TFS)為電解質時，其比容量和能量密度分別為71 F/g和31.9 Wh/kg。

通訊作者C.N.R.Rao教授，Rao先生1958年獲得美國普渡大學博士學位，1960年獲得印度麥索爾大學博士學位，他曾經(jīng)擔任印度科學院院長，現(xiàn)在擔任第三世界科學院院長。Rao先生主要是在凝聚太材料和分子結構方面有造詣，另外他曾當選為很多國家科學院院士或者研究院的院士。

文獻三Graphene-based ultracapacitors.

(Nano letters,2008, DOI: 10.1021/nl802558y) 被引頻次：4010

圖4 電池組裝測試示意圖

此后，以石墨烯為核心的儲能材料在超級容器中的研究迅速發(fā)展起來。單個石墨烯片的比表面積可達2630 m2 / g，這個值遠遠大于現(xiàn)在使用活性炭做電極材料的電化學雙電層電容器。Stoller等人以水合肼作為還原劑，在100 °C的油浴中將石墨烯氧化(Graphene Oxide, GO)還原成石墨烯，雖然具有一定程度的團聚，但其比表面可達705 m2/g，在KOH電解質中其比容量為135 F/g，在TEABF4 /AN電解質中比電容為99 F/g，但水合肼毒性較大。Stoller等人的研究團隊開創(chuàng)了一種新的碳材料，稱之為化學改性石墨烯(CMG)。CMG材料來源于一個原子層厚的碳片，根據(jù)所需功能化，研究者們研究了該材料在超級電容

注：【通訊作者Ruoff教授，同文獻1】

文獻四Graphene-Based Supercapacitor with an Ultrahigh Energy Density.

(Nano Lett., 2010, DOI: 10.1021/nl102661q) 被引頻次：1170

圖5 彎曲的石墨烯片層的SEM和TEM圖片