碳納米儲能材料發(fā)展迅速，質(zhì)量容量性能不斷刷新。但通常碳納米材料的密度較低，導(dǎo)致其體積比容量有限，在很多時候很難將材料水平上的優(yōu)異性能反映到最終的器件上。發(fā)展高體積能量密度儲能材料，在器件水平上實現(xiàn)致密儲能，對推動儲能材料和器件的實用化至關(guān)重要。作為其它sp2碳質(zhì)材料的基本結(jié)構(gòu)單元和一種柔性二維材料，石墨烯通過組裝可以實現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)致密化，在致密儲能方面具有先天優(yōu)勢。本文以石墨烯在超級電容器中的應(yīng)用為主，分別從材料、電極、器件3個層次討論了實用化儲能器件的設(shè)計原則，梳理了高體積能量密度碳基儲能材料的研究進(jìn)展，重點介紹了高體積容量碳電極材料的致密化設(shè)計理念，強(qiáng)調(diào)了從器件角度考慮儲能材料設(shè)計的重要性，并對致密儲能面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)作了分析。楊全紅等（天津大學(xué)，清華大學(xué)深圳研究生院） 能源的存儲與利用是支撐人類社會高效運(yùn)轉(zhuǎn)的重要一環(huán)，地球資源的日趨枯竭和環(huán)境問題的不斷加劇，催生了可再生能源的崛起，成為實現(xiàn)人類社會可持續(xù)健康發(fā)展的理想選擇。成熟高效的儲能技術(shù)是實現(xiàn)這種綠色低碳能源體系不可或缺的前提和保障，是廣受關(guān)注的熱點領(lǐng)域。由于具有靈活、高效、便捷等特質(zhì)，電化學(xué)儲能技術(shù)成為新能源電能存儲的首要選擇，它不僅對社會體系的能源配置和高效利用以及維護(hù)電網(wǎng)運(yùn)行的安全性具有重要作用，同時也加速了其它領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展和成熟。如今，電化學(xué)儲能器件已經(jīng)成為每個人生活中必不可少的一部分，從便攜式電子器件、電動汽車到大規(guī)模電網(wǎng)，人們對儲能器件的需求日趨旺盛，也對電化學(xué)儲能器件的性能提出了新的要求。特別是由于用戶便攜性需求的提高和使用空間的限制，在盡量小的體積下存儲盡量高的容量成為對儲能器件的普遍要求。可見，提高儲能材料和器件的體積能量密度，實現(xiàn)致密儲能對設(shè)計先進(jìn)儲能材料、構(gòu)建高效電化學(xué)儲能體系、推動下一代儲能器件的實用化進(jìn)程至關(guān)重要。 目前，各種針對新型儲能材料的研發(fā)發(fā)展迅速，其中以石墨烯為代表的碳納米材料是儲能領(lǐng)域的研究熱點，在鋰離子電池、超級電容器以及各種新型儲能體系中大放異彩。作為一類重要的儲能器件，超級電容器依靠電解質(zhì)離子在荷電電極表面形成穩(wěn)定雙電層或者在電極二維或準(zhǔn)二維空間發(fā)生吸脫附或快速的氧化還原反應(yīng)而儲能，具有功率密度高、循環(huán)壽命長、可以實現(xiàn)快速充放電等優(yōu)點，在電化學(xué)儲能領(lǐng)域備受矚目。對超級電容器來講，碳材料一直是商業(yè)化和研發(fā)中采用的主要電極材料。由于獨特的二維晶體結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的光熱力電等性質(zhì)，石墨烯在超級電容器領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的潛力。石墨烯的本征容量約為21 μF/cm2，如果它的表面能全部被利用，僅雙電層電容就可達(dá)550 F/g，另外，作為其它sp2碳材料的基本結(jié)構(gòu)單元，石墨烯的出現(xiàn)為構(gòu)建功能導(dǎo)向型碳材料提供了豐富的可能，將碳基材料的設(shè)計制備推向了新的發(fā)展階段。與活性炭等傳統(tǒng)碳材料相比，碳納米材料的構(gòu)建具有更大的發(fā)揮空間和結(jié)構(gòu)調(diào)控幅度，可以更精確地實現(xiàn)功能調(diào)制，不斷刷新著材料的質(zhì)量容量性能，接近甚至超過了鋰離子電池的水平。然而，許多材料的優(yōu)異性能并沒有很好地反映到器件上，在器件水平上的性能表現(xiàn)平平，大大降低了其實用化潛力，其中一個重要原因是，過去很多研究對儲能材料性能的討論大多局限在質(zhì)量容量性能上。但是，許多碳納米電極材料孔隙率高而密度很低，導(dǎo)致材料內(nèi)部有大量的空間被電解液填充，僅增加了器件的重量而并沒有貢獻(xiàn)容量，從而拉低了整個器件的性能。同時，較低的密度意味著在限定的空間內(nèi)較小的活性物質(zhì)質(zhì)量，導(dǎo)致電極材料和整個儲能體系的體積能量密度非常有限?？紤]到整個器件，和質(zhì)量容量性能相比，體積容量性能被認(rèn)為是評價超級電容器實用潛力更可靠的參數(shù)，尤其是對低密度材料和超薄電極更為重要。可見，儲能材料的研發(fā)已經(jīng)不能僅僅滿足于追求高的質(zhì)量能量密度，體積容量性能也應(yīng)受到重視。在高質(zhì)量容量特性基礎(chǔ)上，開發(fā)高密度電極材料，提高電極空間利用率是實現(xiàn)致密儲能的重要途徑。由于具有二維柔性片層特征，石墨烯在電極材料致密化設(shè)計方面具有先天優(yōu)勢，催生了一系列高體積能量密度儲能材料的成功研制，將致密儲能帶上了發(fā)展的快車道，并引領(lǐng)著其它材料在致密儲能上的發(fā)展。同時，產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界對致密儲能的逐漸重視也為石墨烯的發(fā)展帶來了重大機(jī)遇?？梢灶A(yù)見，石墨烯在致密儲能方向的發(fā)展會加速推動儲能技術(shù)的升級，最有可能實現(xiàn)石墨烯儲能技術(shù)和應(yīng)用的快速落地，從而將為推動石墨烯整個產(chǎn)業(yè)鏈的快速發(fā)展注入新活力。 本文以石墨烯在超級電容器中的應(yīng)用為主，從材料、電極和器件多個角度討論了實現(xiàn)致密儲能的設(shè)計策略，并以電極材料的致密化設(shè)計為重點介紹了目前石墨烯在致密儲能方向的主要研究進(jìn)展，強(qiáng)調(diào)了從器件角度構(gòu)建高體積儲能材料的重要性，最后針對石墨烯用于高體積容量超級電容器的機(jī)遇和挑戰(zhàn)做了簡要評述和分析。2 石墨烯用于高體積能量密度超級電容器方 面的研究進(jìn)展 高體積容量儲能材料的研發(fā)是下一代能源器件研發(fā)的重要方向，有望成為解決儲能領(lǐng)域瓶頸問題的突破口，也是推動石墨烯等碳納米材料實用化進(jìn)程的重要途徑。致密儲能的概念逐漸被廣泛接受，體積容量參數(shù)已成為評價儲能材料性能的重要標(biāo)準(zhǔn)，有力地拉近了材料研發(fā)和器件產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用之間的距離。作為碳材料的結(jié)構(gòu)單元，石墨烯在致密儲能方面具有先天優(yōu)勢，其基于界面組裝的致密化構(gòu)建不僅對石墨烯材料在儲能領(lǐng)域的應(yīng)用至關(guān)重要，而且對于解決碳基儲能材料的應(yīng)用瓶頸——低密度和低體積能量密度也具有重要意義。相關(guān)的高體積容量儲能材料發(fā)展迅速，在包括超級電容器在內(nèi)的很多領(lǐng)域展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用潛力，也為石墨烯的發(fā)展帶來了新的機(jī)遇。在未來的器件構(gòu)建中，規(guī)范高體積容量儲能材料和器件的評價體系，從器件角度關(guān)注儲能材料的設(shè)計制備，同時在電極材料致密化組裝過程中兼顧高質(zhì)量和高體積容量性能，保證石墨烯表面利用率以及倍率性能，對真正實現(xiàn)材料從研發(fā)到商業(yè)化的發(fā)展具有重要意義。陶瑩等. 致密儲能——石墨烯用于超級電容器的機(jī)遇和展望. 《儲能科學(xué)與技術(shù)》，2016，5（6）：781-787.
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