可攜式儲能它最行 走近石墨烯柔性超級電容器

　　隨著科學技術的進步，工業化和信息化的迅速發展，計算機、行動電話、照相機等電子產品已成為生活中的必需品。由臺式機向筆記本電腦、座機向行動電話的轉變，都表明人類對電子設備的要求已不僅僅局限在「可使用」，而是逐步向便攜化邁進。這就要求電子設備的儲能系統必須具備長時間的供電能力，才可使電子設備脫離電源線的約束，成為方便使用的可移動裝置。超級電容器是一種新型的儲能器件，具有高容量、高功率密度、高充放電速度等優點。

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　　柔性超級電容器是超級電容器的一個分類。超級電容器是由電極材料、集流體、隔膜、電解液組成，而柔性超級電容器是由柔性基底、電極材料、固態電解質組成。其中電極材料可同時起到儲存能量和集流體的作用，固態電解質可同時起到電解質和隔膜的作用。與傳統超級電容器相比，柔性超級電容器具有以下優點：選用性能穩定的電極材料，提高了安全性;超薄的電極材料和精簡的組裝過程，大大縮減了體積，使整個器件更小型、輕質;電極材料和電解質材料用量少，降低了生產成本，且安全環保。

　　1、柔性超級電容器的工作原理

　　柔性超級電容器與超級電容器的工作原理相同，可分為雙電層儲能機制、贗電容儲能機制和複合儲能機制：

　　(1) 雙電層儲能機制是利用電極材料與電解質的接觸面存儲電荷，形成兩個電荷層，整個過程不發生化學反應，僅是離子的吸脫附。

　　(2) 贗電容儲能機制是利用電極材料中活性物質表面發生的可逆的氧化還原反應存儲電荷的，屬於法拉第反應過程。

　　(3) 複合儲能機制指整個反應過程同時出現雙電層儲能機制和贗電容儲能機制。

　　例如：雙電層儲能過程中，僅是電荷的吸脫附，電極材料的循環壽命高，但是儲存電荷的表面積有限，電容值較低;而贗電容儲能過程可獲得較高的電容值，但由於氧化還原反應的不可逆性，循環壽命較低。兩種機制協同作用，發揮各自的優點，彌補各自的不足，將超級電容器的電化學性能完全發揮出來。

　　2、石墨烯基柔性超級電容器

　　(1)基於石墨烯的柔性超級電容器

　　石墨烯是由sp2雜化的碳原子密排成蜂窩狀的二維晶體結構。自問世以來，由於其具有高比表面積、優異的電學性能和穩定的化學性能等特點，在超級電容器領域備受關注。

 

　　Stoller等以KOH化學改性的石墨烯作為電極材料，驗證了石墨烯應用在超級電容器電極材料領域的可行性。自此，關於石墨烯作為超級電容器的電極材料的研究層出不窮。如圖1所示，石墨烯柔性超級電容器具有不同的組成形式。

　　Chen等將氧化石墨烯懸濁液注入玻璃管中，經還原後，得到與玻璃管形狀相似的石墨烯纖維。所製得的超級電容器具有良好的電化學性能及柔韌性。

　　Zhao等將吡咯單體加入到氧化石墨烯懸濁液中，經過聚合和還原後，得到具有良好彈性的石墨烯/聚吡咯三維結構。組裝成的柔性超級電容器具有很好的可壓縮性能。

　　El-Kady等利用DVD光碟機雷射還原氧化石墨烯作為電極材料，製備所得柔性超級電容器的比電容達4 mF/cm2，並且具有優異的變形性能。

　　

 

　　由於平板狀的柔性超級電容器縱向尺寸較小，在變形過程中自身產生的抗力較小，因而更易於變形。Zang等將化學氣相沉積法製備的石墨烯網狀薄膜轉移至幾種不同的柔性基底(聚對苯二甲酸乙二醇酯，PET;聚二甲基矽氧烷，PDMS;聚乙烯，PE;磨砂布和濾紙)，並與膠體電解質組裝成具有「三明治」結構的柔性超級電容器。

　　根據柔性基底性質的不同，對電容器採取不同的變形性能測試，如彎曲、拉伸、摺紙、任意變形等(圖2)。測試結果發現，各種變形後電容器仍可保持穩定的電容性能，並且可以承受上百次變形，具有很好的變形穩定性。在實際情況中動態變形更加常見，而柔性超級電容器在變形過程中仍可保持穩定的電化學性能，即具有優異的動態變形性能。

　　

 

　　如圖3所示，Li等將變形類型擴展到動態拉伸變形，將碳納米管轉移至PDMS基底上，測試了不同應變頻率(最高頻率為4.46%/s)下的電化學性能的變化。

　　Zang等充分利用石墨烯網狀薄膜可與基底緊密結合的特點，獲得以預拉伸後的褶皺PDMS為基底、石墨烯網狀薄膜為電極材料的可動態拉伸(彎曲)超級電容器。動態拉伸(彎曲)頻率可高達60%/s。拉伸過程通過CV曲線進行實時檢測，結果表明，動態拉伸(彎曲)過程中未見明顯的性能破壞，具有很好的動態變形性能。