石墨烯超級(jí)電容器

石墨烯是一種由純碳構(gòu)成的薄層，緊密地包裹在一起，形成六角形蜂窩晶格。它被廣泛認(rèn)為是一種“神奇的材料”，因?yàn)樗哂胸S富的驚人特性:它是人類已知的最薄的化合物，只有一個(gè)原子那么厚，也是最著名的導(dǎo)體。它還具有驚人的強(qiáng)度和吸光特性，甚至被認(rèn)為是生態(tài)友好和可持續(xù)的，因?yàn)樘紡V泛存在于自然界和人體的一部分。

石墨烯常被認(rèn)為是超級(jí)電容器中活性炭的替代品，部分原因是其相對(duì)表面積高(甚至比活性炭的相對(duì)表面積更大)。表面積是電容的限制之一，表面積越大，靜電電荷的存儲(chǔ)效果越好。此外，石墨烯基超級(jí)電容器將利用其輕質(zhì)、彈性和機(jī)械強(qiáng)度。

據(jù)稱，石墨烯基超級(jí)電容器儲(chǔ)存的能量幾乎和鋰離子電池一樣多，充電和放電只需幾秒鐘，而且可以維持?jǐn)?shù)萬(wàn)次充電循環(huán)。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的方法之一是使用具有較大內(nèi)表面積的多孔石墨烯(將石墨烯粉末包裝成硬幣形狀的細(xì)胞，然后干燥并壓緊)。

超級(jí)電容器是什么?

超級(jí)電容器，也被稱為EDLC(電雙層電容器)或超級(jí)電容，不同于普通電容器，它們可以儲(chǔ)存大量的能量。

基本電容器通常由兩塊金屬板組成，由絕緣體(如空氣或塑料薄膜)隔開(kāi)。充電時(shí)，電子聚集在一根導(dǎo)體上，并離開(kāi)另一根導(dǎo)體。一邊帶負(fù)電荷，另一邊帶正電荷。絕緣體會(huì)干擾負(fù)電荷向正電荷的自然拉力，而這種拉力會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)。一旦電子被給予到另一邊的路徑，就會(huì)發(fā)生放電。

超級(jí)電容器也包含兩個(gè)金屬板，只涂有一種叫做活性炭的多孔材料。它們浸在由溶解在溶劑中的正離子和負(fù)離子組成的電解質(zhì)中。一個(gè)盤(pán)子是正的，另一個(gè)是負(fù)的。在充電過(guò)程中，電解液中的離子在每個(gè)碳涂層板的表面積累。超級(jí)電容器也能在電場(chǎng)中儲(chǔ)存能量，電場(chǎng)是由兩個(gè)相反的帶電粒子形成的，只有它們的電解質(zhì)中有等量的正離子和負(fù)離子均勻分散。因此，在充電過(guò)程中，每個(gè)電極最終具有兩層電荷涂層(電雙層)。

電池和超級(jí)電容器

與電容器和超級(jí)電容器不同，電池是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)來(lái)儲(chǔ)存能量的。這樣，離子就被插入到電極的原子結(jié)構(gòu)中，而不是像超級(jí)電容器那樣附著在電極上。這使得超級(jí)電容器(通常不需要化學(xué)反應(yīng)就能儲(chǔ)存能量)能夠比電池更快地充放電。由于超級(jí)電容器不像化學(xué)反應(yīng)電池那樣遭受同樣的磨損，它可以承受數(shù)十萬(wàn)次的充放電循環(huán)。

超級(jí)電容器具有比普通電容器更高的儲(chǔ)能能力，但在這方面仍落后于電池。超級(jí)電容器通常比電池更貴。從技術(shù)上講，用超級(jí)電容代替手機(jī)電池是有可能的，而且充電速度會(huì)快得多。唉，它的充電時(shí)間不會(huì)太長(zhǎng)。然而，超級(jí)電容器在接收或釋放突然激增的能量方面非常有效，這使它們成為電池的合適合作伙伴。內(nèi)燃機(jī)、燃料電池和電池等初級(jí)能源作為一種連續(xù)的低功率來(lái)源工作良好，但由于它們的排放和充電速度較慢，無(wú)法有效地處理峰值功率需求或重新獲得能源。超級(jí)電容器在用電高峰時(shí)快速釋放能量，然后迅速儲(chǔ)存能量并捕獲多余的能量，否則就會(huì)失去這些能量。在電動(dòng)汽車的例子中，超級(jí)電容可以提供加速所需的能量，而電池可以提供范圍，并在浪涌之間為超級(jí)電容充電。

常見(jiàn)的超級(jí)電容器的應(yīng)用

超級(jí)電容器目前用于從再生制動(dòng)系統(tǒng)獲取動(dòng)力并釋放動(dòng)力以幫助混合動(dòng)力公交車加速，在啟動(dòng)/停止系統(tǒng)中提供起動(dòng)功率和電壓穩(wěn)定，為汽車應(yīng)用提供備用和峰值功率，協(xié)助列車加速，打開(kāi)飛機(jī)門(mén)電源故障事件，有助于提高葉片變槳系統(tǒng)能量網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性，捕獲能量并提供爆發(fā)電源以協(xié)助提升操作，為電力故障之間的數(shù)據(jù)中心提供能量，并啟動(dòng)備用電源系統(tǒng)，如柴油發(fā)電機(jī)或燃料電池，并提供能量?jī)?chǔ)存，以鞏固可再生設(shè)施的輸出和提高電網(wǎng)穩(wěn)定性。

競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的材料

目前已經(jīng)有幾種材料被研究并提出可以像石墨烯一樣(甚至更多)增加超級(jí)電容器的容量。這些材料包括:大麻,被加拿大研究人員開(kāi)發(fā)大麻纖維,至少是一樣有效的石墨烯的超級(jí)電容器電極,香煙過(guò)濾器,由韓國(guó)研究人員準(zhǔn)備使用的超級(jí)電容器電極材料表現(xiàn)出更好的速度能力和較高的比電容比傳統(tǒng)活性炭甚至高于n型石墨烯或CNT n型電極。