石墨烯距离能源商品化的时间还有多久？(2)超级电容篇-北极星储能网

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石墨烯具有优异的电学、热学与力学特性，近年来一直是众所瞩目的焦点，而且在电子组件、复合材料、气体传感器与能源储存等应用领域皆有突破性发展。在众多的能源储存组件中，超级电容具有高功率密度、快速充放电、高循环寿命、无污染、免维护等优点，在混合电源系统、再生能源储能系统、高功率脉冲电源等，超级电容都有无可取代的地位，因此无论在汽车、电力、铁路、通讯、军事、工业应用、消费性电子产品等方面皆有着极大的应用价值与市场潜力。目前研究报告显示，石墨烯本身优异的高比表面积与丰富的中孔结构，使石墨烯超级电容的能量密度与功率密度大幅提升，相信石墨烯超级电容于储能的应用将是指日可待。

如果各位读者看过我前面两篇谈到如何运用石墨烯的技巧的话，后面几篇就比较容易重新思考如何来进行各类能源产品的开发。首先，以往部分所谓的能源专家都不曾真正认识过石墨烯，还停留在石墨烯很贵、比表面积太大不适合现有工艺的概念阶段，就一昧否定其真正的价值。普遍不是认为比表面积高对技术开发有利吗?怎么在这里却变成了负担?再者，也因为大部分石墨烯厂商都用氧化还原法造成碳材严重缺陷，所以导电性不佳，所以就误认为石墨烯根本没用。但如果我说这些都不存在问题了，那专家们总该闭嘴专心研究怎么把这些能源产业做大、做强吧。

切记，石墨烯不是万灵丹，要做出好东西还是要回到最原始、最单纯的物性要求。你要导电率高的石墨烯，还是比表面积高的石墨烯，是凝胶状的石墨烯，还是薄膜状的石墨烯，我们都可以做出来，只要你清楚怎么去取舍及真正找到关键主因就简单多了。其实最难的就是「改变」大家先入为主的观念，就举超级电容为例，大家一谈到石墨烯就马上想到比表面积达到2630m2╱g，比活性碳还要高，做好超级电容不该是手到擒来的事吗?

这里告诉各位一个残酷的事实，一般化学法制备的石墨烯比表面积仅有200m2╱g，所谓的2630m2╱g不过是理论计算出来的结果。但各位也不用灰心，我们也做出超过900m2╱g的石墨烯粉末，也有另一款比表面积20m2╱g的石墨烯用在透明导电膜是绝配，所以我才会说不同的石墨烯要找到对的地方去应用才是王道呀。

「超级电容」(Supercapacitor)又可称为「电化学电容器」或「超高电容器」(Ultracapacitor)，其储能特性恰好与锂离子二次电池相反，藉由活性材料或多孔性材料来进行电荷的储存与释放，比起传统的「介电电容器」具有更高的能量密度(Wh/Kg)，比起传统的充电电池具有更高的功率密度(W/Kg)，并且循环寿命(Cyclelife)可达万次以上。也就是说除了「能量密度」比锂离子电池差外，其它性能都能完胜，那我们就来把超级电容的能量密度提高到锂离子电池不就结了。

这个观念铁定正确，但很难做到，至少目前还没有人做到这个境界。要回答怎么应用石墨烯做出能量密度高的超级电容前，我们照例先来了解超级电容的作用原理。举个「电双层超级电容」为例，系利用电极与电解质之间的库仑静电力，造成电解质中电荷分离的现象，进而形成电双层来达到储存电容的目的。由于超级电容电极与电解质之间无电荷转移反应发生，因此并没有法拉第电流产生，只有非法拉第过程的电荷吸引与排斥，造成电荷分离而储存电能，其整体储能特性与电极材料的比表面积息息相关，一般采用具有高比表面积的碳材料。

「双电层超级电容器」是利用电极与电解质之间形成的「接口双层」来存储能量，使用的电极材料有活性碳(活性碳粉末、活性碳纤维)、碳凝胶、碳纳米管。电容器的容量大小与电极材料的孔隙有关，孔径在2~50nm之间为「中孔」，在保证孔径为中孔的前提下可有效提高材料的比表面积，才能有效的提高双电层电容。以目前使用的商品化活性碳电极材料而言，虽说活性碳具有高比表面积(1000～3,500m2╱g)，但大多属于储存电荷容量贡献比例偏低的「微孔」孔洞，导致整体电容量变小。

所以真正的关键在「电荷吸引与排斥」。各位可能不知道外面号称比表面积高的石墨烯并不见得可以用在超级电容，因为某些石墨烯微片的比表面积是经氧化还原过程的摧残所造成的「破洞面积」，并不是我们想让电荷吸引与排斥的「使用面积」，所以「孔洞型石墨烯粉末」及「石墨烯气凝胶」就相对更适合用在超级电容上。难吗?不会，就是因为懂材料的不懂超级电容的特性，懂超级电容的不懂石墨烯，才会闹这类的笑话。

我们先来比较18650锂离子电池与典型超级电容电路放电曲线(图1)，可以观察到超级电容曲线是呈指数规律下降的，没有明显的线性区。超级电容放电至0.6~0.8V左右时就非常难拿来给设备供电了，即使这时标称2.7V的超级电容来说还有10%的电量剩余。当你给一个完全没电的超级电容充电时，同样的，一开始充进去10%的电也是利用不了的，相当于白白浪费了。所以解决了能量密度后，这个充放电平台的问题是接下来要解决的瓶颈，这点我们以后再回头来讨论，这里只能说这是可以透过电路去调整的。

原标题：石墨烯距离能源商品化的时间还有多久？(2╱5) – 超级电容篇

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