平面内微型超级电容器用石墨烯的研究进展与展望

微型电容器具有功率密度高、循环寿命长等优势，可望用于射频识别标签、无线测量节点、远程传感器等微型电子器件。然而，微型电容器的能量密度制约了其实际应用。影响微型电容器性能的一个重要因素是电极材料，对电极材料和结构进行合理设计，有望大幅提高微型电容器的能量密度。

石墨烯是新型纳米炭材料，由sp2杂化碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格，具有电子电导率高、比表面积大等特点，用于构筑平面构型的微型电容器具有显著优势。由于电场与石墨烯的晶面平行（图1），离子的输运更加容易，从而有利于增大石墨烯的可用电化学比表面积，提高比电容。近年来，石墨烯用于平面微型电容器的研究受到极大关注。

图1. 石墨烯基平面微型电容器中离子传输示意图

近日，中国科学院金属研究所李峰研究员课题组在《新型炭材料（中英文）》（New Carbon Materials）上发表综述“Progress and prospects of graphene for in-plane micro-supercapacitors”，从电极材料设计的角度，总结了平面微型电容器用石墨烯和石墨烯基材料的最新研究进展（图2）。首先讨论了微型超级电容器的器件结构、制造技术和性能指标。进一步总结了通过不同方法制造的石墨烯电极材料，包括化学气相沉积石墨烯、液相剥离石墨烯、氧化还原石墨烯和激光诱导石墨烯等，并总结了石墨烯与其它材料（碳纳米管、过渡金属氧化物、导电聚合物或其它二维材料）复合的电极设计，同时讨论了电极材料结构和电化学性能之间的构效关系。最后，提出了石墨烯基平面微型电容器面临的挑战，并对其未来发展方向进行了展望。

图2. 平面微型电容器用石墨烯和石墨烯基材料

近十年，石墨烯基平面微型电容器的性能得到显著提高，但发展仍处于起步阶段。从电极材料、电极结构的设计和优化，到器件的制备和集成，仍有较大研发空间（图3），如：（1）通过复合、掺杂、孔结构等策略，改进电极材料；（2）通过减小叉指间距、三维电极设计等，提高电荷存储效率；（3）在制备方面，发展超快/高通量制备技术和封装工艺等；（4）对器件进行大规模集成，发展自驱动集成微系统，引入智能功能（如自愈合、刺激响应等）。

图3. 石墨烯基微型电容器的研究展望

审核编辑 ：李倩