若超级电容与石墨烯邂逅，会革掉锂电池的命？

轻轨示范线及城市公交大巴示范线，有效满足了大量旅客的即时性或瞬态快速输运，代表了一种发展趋势。

此外，我国大城市的道路密度不足，车量多，绝对车速慢，在怠速下的尾气排放占小汽车排放的大头。由于目前小汽车用的电瓶（铅酸电池）可靠充放电次数太少，如果使用能50万至100万次可逆充放电的超级电容器，就可在怠速时，将内燃机灭火，需要时，再迅速启动，有效降低尾气排放，实现绿色交通。

石墨烯助力超级电容器发展

不同储能器件的大致性能范围图

小型汽车具有巨大的市场。由于车用系统的空间有限且增加重量会增加能源消耗，决定了超级电容必须具有能量密度高、体积小的特点，因此提高其能量密度成为应用突破的关键。这就要求对目前商用产品进行升级换代。以目前市售的双电层电容器为例，大多数操作电压在2.7伏，使用活性炭为电极材料以及使用有机电解液，活性炭电极材料的电容小于200法/克，电容器件的能量密度小于6~7瓦·时/千克（或瓦·时/升） 。

理论上，能量密度与电极材料的电容值成正比，与操作电压的平方成正比，这就决定了提高工作电压，是实现高能量密度的关键。事实上，手机电池与锂离子动力电池也都在努力提高工作电压。

而提高工作电压，除了需要更换化学稳定性更高的电解液，还需使用纯度更高的碳电极材料。一般而言，活性炭是由椰壳、杏壳、石油焦等炭化而得，可能含有金属杂质以及在活化处理过程被引入的氧、氮、磷等杂质杂质在水性电解液（1伏）下能够起氧化还原反应，贡献法拉弟赝电容。但在高电压下，这些杂质会导致电解液持续分解，使器件胀气导致内阻变大甚至破坏器件，必须清除。

同时，活性炭是"内凹"结构的微孔碳，，孔径大都小于0.7纳米。对于有机液体及离子液体等电解液来说，离子在活性炭内部的传输就像是在绕迷宫，会导致扩散阻力变大以及表面利用率变低。

而石墨烯是一种SP2杂化的碳，化学稳定性远高于以SP3杂化的活性炭。同时，石墨烯的表面全为"外凸"表面，十分有利于电解液的离子接近与吸附或脱附，实现快速的充放电过程 。特别需要指出，石墨烯可用高纯度的烃类以化学气相沉积方法，在高温下裂解制备，在原理上既能保证大的比表面积，又能保证无金属掺入的高纯度，从而具备了众多的优异性能。

在电化学储能被纳入国家《可再生能源发展"十三五"规划》，超级电容器迫切需要提升品质的当下，石墨烯材料已经历了十余年的发展与认识，终于有了一个恰逢其时的好时机。

石墨烯的发展与进步

石墨烯的特性与部分应用示例

石墨烯是由英国曼彻斯特大学的科学家在2004年率先发现的。其一出现便引起了国际物理学界的轰动，但这完全不是因为其熟知的强度、导电、导热特性或储能特性，而是由于在此之前，物理学家根本不相信有二维平面原子级晶体的稳定存在。

当英国科学家用胶带粘着一块质量上好的石墨（大约是单层石墨烯的百万以上层级的宏观体），坚持不懈地一层一层地剥落，再剥落，直至得到厚度仅0.12纳米的碳原子单晶时，石墨烯展现出了声、光、电、力、热、磁等一系列优异特性，并且带动了其他原子级二维材料的制备与自组装技术的发展。

自1991年纳米科技展现魔力以来，在C60与碳纳米管的研究热潮带动下，石墨烯一经问世，就遇到了一个科研人才充足，科学经费充裕，风投资金活跃的黄金时代。在短短的十来年时间里，石墨烯便完成了从"后起之秀"向"诺贝尔奖宠儿"的巨大转变，取得了巨大的成果。

（1）单层石墨烯的法向是强度最高的材料，其强度是钢的百倍以上，所以石墨烯能被广泛应用于各种材料的复合增强领域。

（2）结构上是碳碳六元环组成的非极性材料石墨烯，却在宏观上亲水，因此具有表面亲疏水多种调变可能。

（3）具有平面碳的完美结构，可负载上各种金属，其性能也很好研究，可成为一个负载研究平台。

（4）单原子层的薄膜，既透明又导电，还有柔性，可成为平面显示与柔性器件的宠儿。
（5）在石墨烯这个规整的平面上打一个很小的洞，可以进行海水的正渗透脱盐，是对目前反渗透海水淡化膜的巨大补充。

（6）在电容器领域，美国科学家千方百计地把几片石墨烯立起来，做成微电容器件，证明了这个电容确实具有百万赫兹的超快速响应能力。

实现众多优异性能与应用前景的前提是获得优异的材料，所以其发展方向主要包括：
（1）制备尺寸越来越大的单晶；

（2）制备层数与比表面积，以及纯度越来越可控的粉料;

（3）直接制备各类与基材的复合材料。

对于拟替代活性炭的石墨烯来说，属于粉料