动力和环境问题是现在人类亟需处理的两大问题。在化石动力日渐干涸、环境污染日益严重、全球气候变暖的今日，寻求代替传统化石动力的可再生绿色能 源、谋求人与环境的调和显得尤为火急。新式的可再生动力，比如风能和太阳能 等的使用，电动汽车、混合动力电动车的逐渐市场化，各种便携式用电设备的快速展开，均需求高效、有用、“绿色”(零污染、低污染)的能量储运体系。关于新式的“绿色”储能器材，在关心其“绿色”的一起，高功率密度、高能量密度则是其是否能够真实代替传统能量储运体系的重要目标。新式的电源体系，特别是二次电池或许超级电容器是现在重要的“绿色”储能设备。而其间中心部分是功用优异的储能资料。各种碳质资料，特别是 sp2 杂化的碳质资料，因为其特别的层状结构或许超大的比外表积，成为重要的储能资料或许储能体系的电极资料。作为sp2杂化碳质资料的基元结构的单层石墨——石墨烯(graphene)，2004年被成功制备;共同的结构——真实的外表性固体(无孔、外表碳原子份额为 100% 的超大外表资料)，使其成为下一代碳质电极资料的重要挑选。
1 sp2 杂化碳质资料：重要的储能资料
碳是自然界广泛存在的一种元素， 具有多样性、特异性和广泛性的特色。碳元素能够 sp、sp2 、sp3 三种杂化办法构成固体单质。而 sp2 杂化构成的碳质资料的基元结构是二维石墨烯片层。如图1所示，假如在六元环构成的石墨烯晶格结构中存在五元环的晶格, 就会使石墨烯片层翘曲, 当有12个以上五元环晶格存在时就会构成零维的富勒烯;碳纳米管能够看作是石墨烯沿必定视点弯曲构成的圆筒状一维资料;石墨烯片层相互效果、叠加，便构成了三维的体相石墨。而作为无定形的多孔碳质资料(活性炭、活性炭纤维及炭气 凝胶等) 则是由富含缺点的微晶石墨炭(厚度和标准很小的三维石墨片层结构)相互效果构成。
碳质资料是现在在绿色电源体系中使用最广泛的电极资料之一。锂离子二次电池、超级电容器、太阳电池、燃料电 池、储氢 / 甲烷等新动力范畴，无处不有 碳质资料的身影。sp2 杂化的碳质资料具有石墨(或许标准较小的微晶石墨)层状结构或许由许多缺点而构成的织构特征 (丰厚孔隙)和大的比外表积，而成为重要的电极资料，这些资料首要包含：石墨资料、多孔炭资料以及碳纳米管等。结构少缺点的层状 sp2 碳石墨资料是现在使用最为广泛的商用锂离子电池负极资料;富含缺点的多孔碳质资料是现在超级电容器的首要电极资料;而碳纳米管作为一种新颖的sp2杂化碳质资料，又被猜测将或许广泛使用于染料敏化太阳电池中。
不管商品化或许尚处于研制阶段的“绿色”储能器材，其功用和性价比还有 待进步，对sp2杂化的碳质资料进行结构优化、改性，开发更高功用或许更高性价比的电极资料是资料科学家的使命。以超级电容器为例，在其真实走向大规模使用之前，更高功率密度、更高能量密度、性价比高的碳质电极资料的开发是资料科学家有必要完结的使命。笔者以为，在碳基超级电容器资料的研制方面，资料科学家能够从如下几个方面进行作业：
(1) 扩大储电空间——高的能量密度
碳基电双层电容器的储电机理是电荷在电极外表的有序富集。关于超级电容器，合适电荷集合的有用“外表积”越大(电解质溶液能够触摸的外表)，其储电容量越大。不含缺点的sp2碳质资料的极限比外表积 (单层石墨烯片层) 是2 630 m2/g;而富含缺点的sp2碳质资料的极限比外表积还要大于这个数值。因为一般办法很难取得单层石墨烯片层，进步碳质资料比外表积的首要办法是在碳质资猜中营建孔隙，进步外表碳原子的份额，然后添加其比外表积;而孔隙率的添加限制了其功率特性的进一步进步。如安在进步比外表积，取得高能量密度的一起，坚持高的功率特性是取得高功用超 级电容器的重要课题。
(2) 操控微观结构和微观织构——高的功率特性
一般来说，首要通过进步孔隙率来取得高比外表积碳质电极资料。但孔隙的存在带来另一个问题，即电解质溶液的分散问题等。如安在进步比外表积的一起，坚持其电解质溶液对静电荷贮存外表的滋润，确保电解质离子以较高速率从溶液体相向碳质资料外表分散，是碳质电极资料方面需求处理的重要问题之一。
(3) 进步石墨烯片层结构完好性——低内阻和高导电特性
电极资料需求杰出的导电特性，完好的石墨烯片层具有杰出的导电特性。作为电极资料的sp2碳质资料应该具有杰出的结构完好性。通过活化等办法营建孔 隙——缺点，在进步碳质资料比外表的一起，导电特性变差。如安在进步比外表积的一起，不下降sp2碳的导电特性也是进步碳质电极资料功用需求战胜的瓶颈。 作为sp2杂化碳质资料基元结构的单层或许薄层石墨烯，是能够处理以上瓶颈的抱负资料。首要原因如下：单层或许数层石墨烯片层，具有无孔隙的二维平面结构。储电空间坐落石墨烯片层外表，其储能特性彻底依赖于石墨烯的比外表积和外表化学。微米级的石墨烯片层搭接构成石墨烯微观体，具有简略的织构特性，不含孔隙，与电解质溶液有杰出的触摸。通过与其它资料的复合，能够调控其织 构，确保资料杰出的功率特性。假如作为锂离子电池负极资料，锂离子在薄层石墨烯片层(片层标准在微米级，远小于体相石墨)之间的分散途径比较短，能够大大进步其功率特性。石墨烯片层零缺点或许少缺点，确保其具有杰出的导电和导热特性，是电极资料，特别是微型的电源器材所用电极资料的抱负候选。
依据以上几点，作为sp2杂化资料的单层或许薄层(2~10 层)石墨烯是抱负的超级电容器电极资料，可望进步超级电容器的功率和能量密度。一起因为其独 特的薄层、纵向和横向标准的可切开性、杰出的导热和导电特性，石墨烯也是其他储能体系的抱负候选资料。2 sp2碳质资料的基元资料 ——石墨烯 ：诞生和共同性质
2004 年，曼彻斯特大学的Geim小组初次用机械劈裂法(mechanical cleavage)取得单层和薄层石墨烯。在此之前，科学家们一向以为严厉的二维晶体热力学不稳定，不或许独立存在。
石墨烯是现在已知最薄的二维资料，完美的石墨烯具有抱负二维晶体结构，由六边形晶格组成。自从被成功制备出来，石墨烯在全世界范围内引起了一股新的研讨热潮——物理、化学、资料科学家开端对石墨烯进行体系研讨，各种极具魅力的共同性质相继被发现，被猜测很有或许会在许多范畴引起革命性的改变。现在，首要的石墨烯制备办法有机械劈裂法、外延晶体成长法、化学气相堆积法、氧化石墨的热膨胀和复原办法。还有其他一些制备办法也连续被开发出来，如气相等离子体成长技能，静电堆积法和高温高压合成法等。
笔者以为，在这些办法中，最有或许完成石墨烯规模化制备，完成大规模使用的是氧化石墨的热膨胀法和复原法。这种办法的首要进程是：将氧化石墨在短时间内快速升温到必定温度以上 (一 般的办法是1 000 ℃以上)，使氧化石墨 片层通过片层间官能团的分化效果而相互剥离。氧化石墨烯复原法，是以氧化石墨为质料，在溶剂中超声，得到氧化石墨烯溶液，然后用化学复原剂复原，得到石墨烯。现有的许多研讨作业也是依据这两种办法进行的。咱们小组创造晰低温 热膨胀技能，能够低本钱取得宏量石墨烯资料。
石墨烯是真实的外表性固体，抱负的单层石墨烯具有超大的比外表积(2 630 m2 /g)，是很有潜力的储能资料。石墨烯也具有杰出的电学、力学、光学和 热学性质。石墨烯是一种没有能隙的半导体，它具有比硅高许多的载流子迁移率(2×105 cm2 /V)，在室温下有微米级的平均自由程和大的相干长度，因而石墨烯是纳米电路的抱负资料，也是验证量子效应的抱负资料;石墨烯具有杰出的导电性，其电子的运动速度到达了光速的 1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。石墨烯具有杰出的透光性，是传统ITO膜潜在代替产品。石墨烯具有杰出的热学性质，Ghosh等使用依据微拉曼光谱的无触点技能丈量得到石墨烯的热导率为3080～5150 W/mK。 石墨烯也具有十分高的力学强度，Liu和Lee等别离使用榜首原理核算和试验证明石墨烯片层是现在已知强度最高的资料，其抱负强度为110~130GPa。
杰出的导电性是其他大比外表积碳质资料很难具有的共同性质，预示着石墨烯很或许是功用极佳的电极资料;而杰出的热导性质、光学性质和力学强度， 也预示着石墨烯资料可用于超薄型、超微型的电极资料和储能器材，而这样的储能元件可用于高密度的纳电子器材和高功率电池组中。
3 具有抱负二维结构的石墨烯:新式储能资料
3.1 石墨烯在超级电容器中的使用
碳质资料是最早也是现在研讨和使用得很广泛的超级电容器电极资料。用于超级电容器的碳质资料现在首要会集于活性炭(AC)、活性炭纤维(ACF)、炭气凝胶、碳纳米管(CNTs)和模板炭等。这些sp2碳质资料的基元资料是石墨烯。自石墨烯被成功制备出来后，人们开端探究其这种极限结构的 sp2 碳质资料在超级电容器里使用的或许性。
Ruoff小组使用化学改性的石墨烯作为电极资料，测试了依据石墨烯的超级电容器的功用。这种石墨烯资料的电容功用在水系和有机电解液中的比电容 别离能够到达135 F/g和99 F/g(图 2)。Rao等人比较了通过三种办法制备的石墨烯的电容功用。在硫酸电解液中，通过氧化石墨热膨胀法和纳米金刚石转化法得到的石墨烯具有较高的比电容，能够到达117 F/g;在有机电解液中，电压为3.5 V的时分，其比电容和比能量能够到达 71F/g 和31.9 Wh/kg。
咱们小组通过低温热膨胀法制备的石墨烯资料，未经任何后处理，在 30%(质 量分数) KOH 电解液中，其比电容能够到达180～230 F/g;与氧化物复合后，比电容得到大幅进步,一起具有杰出的功率特性。中科院金属所和南开大学相关小组也现已取得很好的研讨进展。
石墨烯资料使用于超级电容器有其共同的优势。石墨烯是彻底离散的单层石墨资料，其整个外表能够构成双电层;可是在构成微观集合体进程中，石墨烯片层之间相互凌乱叠加，会使得构成有用双电层的面积削减(一般化学法制备 取得的石墨烯具有200～1 200 m2/g)。即使如此，石墨烯依然能够取得100~230 F/g 的比电容。假如其外表能够彻底开释，将取得远高于多孔炭的比电容。在石墨烯片层叠加，构成微观体的进程中，构成的孔隙会集在 100 nm 以上，有利于电解液的分散，因而依据石墨烯的超级电容器具有杰出的功率特性。
3.2 石墨烯在锂离子电池中的使用
对锂离子电池负极资料的研讨，首要会集在碳质资料、合金资料和复合资料等方面。碳质资料是最早为人们所研讨并使用于锂离子电池商品化的资料，至今仍是咱们重视和研讨的要点之一。碳质资料依据其结构特色可分红可石墨化炭(软炭)、 无定形炭(硬炭)和石墨类。现在对碳负极的研讨首要是选用各种手法对其外表进行改性，可是对人工石墨再进行外表处理将进一步添加制造本钱，因而往后研讨的要点仍将是怎样更好地使用廉价的天然石墨和开发有价值的无定形碳资料。因而，从石墨动身制造低本钱高功用的锂离子电池负极资料是现在的首要研讨方向。石墨烯作为一种由石墨动身制备的新式碳质资料，单层或许薄层石墨(2～10 层的多层石墨烯)在锂离子电池里的使用潜力也落入研讨者的视界之中。
Yoo等人研讨了石墨烯使用于锂离子二次电池负极资猜中的功用，其比容量能够到达540 mAh/g。假如在其间掺入C60和碳纳米管后，负极的比容量能够到达784 mAh/g 和730 mAh/g。Khantha 等人通过理论核算评论了石墨烯的储锂机理。
咱们运用低温法制备的石墨烯资料直接用于锂离子二次电池的负极资料，其初次放电比容量能够到达 650 mAh/g。通过改性，此成果还能够进步。但其初次充放电功率和循环功率较低，需求对石墨烯结构进行改性。多层石墨烯因为具有必定的储锂空间，一起锂离子的分散途径比较短，因而应该具有较好的功率特性。相关小组现在正在展开石墨烯的结构改性和复合，进行相关的研讨作业。
3.3 石墨烯在太阳电池中的使用
除了显示出作为超级电容器和锂离子电池的巨大潜力外，石墨烯也在太阳电池、储气方面展现出共同的优势。二维的石墨烯具有杰出的透光性和导电性， 是很有潜力代替ITO的资料。使用石墨烯制造通明导电膜并将其使用于太阳电池中也成为人们所研讨的热门。
Wang 等人使用氧化石墨热膨胀后热处理复原得到的石墨烯制造为通明导 电膜使用于染料敏化太阳电池中，取得了较好的成果。制备的石墨烯通明导电膜的电导率能够到达 550 S/cm，在 1000～3000nm 的光波长范围内，透光率能够到达 70%以上(图3)。Wu等人用溶液法制备的石墨烯通明导电膜使用于有机太阳电池中作为阳极，可是因为使用的石墨烯未通过有用的复原，所以电阻较大，导致得到的太阳电池的短路电流及填充因数不及氧化铟，假如能够下降石墨烯膜的电阻，得到的成果或许要更好。Liu等人用溶液法制备的石墨烯与其它贵金属资料复合的电极拼装的有机太阳电池的短路电流能够到4.0 mA/cm2 ，开路电压为 0.72 V，光转化率能够到达1.1%。Li等人对石墨选用剥离- 再嵌入 – 扩张的办法，成功制备了高质量石墨烯，其电阻比通过以氧化石墨为质料制备的石墨烯低100倍，并以DMF为溶剂，成功制备了LB膜，这种通明导电膜也成为使用于太阳电池的潜在资料。
咱们和协作小组首先报导了运用气液界面自拼装办法制备大外表积、无支撑超薄石墨烯膜;通过挑选性掺杂、改性，能够取得不同电性质和透光率的石墨烯柔性膜，是一种潜在的太阳电池电极资料。
3.4 石墨烯在储氢/甲烷中的使用
Dimitrakakis使用石墨烯和碳纳米管规划了一个三维储氢模型，假如这种资料掺入锂离子，其在常压下储氢才能能够到达41g/L(图 4)。因而，石墨烯这种新资料的呈现，为人们对储氢/甲烷资料的规划供给了一种新的思路和资料。
4 结语与展望——石墨烯作为新式储能资料的远景剖析
石墨烯具有较大的比外表积，杰出的导电性和导热特性，是很有潜力的储能资料。笔者以为，石墨烯作为储能资料，其优势有以下几点：
石墨质料储量丰厚、廉价，化学法制备的石墨烯本钱较低;咱们课题组创造的低温膨化法使其本钱有了很大的下降。在对其工艺进行优化、扩大之后，化学法制备的功用化石墨烯资料有望成为 很有竞争力的储能资料。
石墨烯具有杰出的导电性和敞开的外表，赋予其很好的储能功率特性。其微观体织构由微米级、导电性好的石墨烯片层搭接而构成，构成敞开的大孔径体系，这样的结构为电解质离子的进入供给了势垒极低的通道，确保这种资料杰出的功率特性。
石墨烯具有较大的理论比外表积。大的比外表积决议了其具有较高的能量密度。现在石墨烯资料的比外表积(200～1200 m2 /g) 与理论猜测值还有较大的距离，怎么调控石墨烯的织构，使石 墨烯外表能够彻底被电解质溶液所浸 润，是现在的重要课题。
石墨烯性状特征和活性炭、石墨资料附近，假如作为电极资料，能够与现有的超级电容器和锂离子电池的工艺道路兼容。 石墨烯资料具有导电和导热特性， 且能够构成厚度可调控的石墨烯膜，能够构建十分好的薄膜电池和储能器材。
石墨烯作为sp2 杂化资料的基元材 料，能够通过外表改性、复合，构筑“纳 米修建”等手法对其进行二次结构的构建，通过优化结构，取得高储%&&&&&%量的资料。咱们和日本东北大学京谷隆小组协作研讨标明，在分子筛微孔孔隙中能够制备取得单层石墨烯片层歪曲构成的单壁多孔炭，通过热处理能够取得十分好的大功率 特性。
总归，石墨烯资料具有优异的储能性质，也表现出杰出的使用远景。现在石墨烯的研讨尚待深化，通过体系研制，处理其间科学问题和工艺问题后，有望成为市场潜力巨大的电极资料。
