石墨烯在超级电容器领域的应用
超级电容器的容量可达几百甚至上千法拉，作为一种新型电化学储能单元，具有高度可逆，充电时间短，使用寿命长，温度特性好，节约能源和绿色环保等优点，目前已在备用电源系统、便携式电子设备和电动汽车领域有广泛的应用。

对于具有随机性和间歇性等特点的可再生能源发电，超级电容器应用于风力发电中可以提高风电场的运行安全。

但是，超级电容器在新能源领域的应用发展经历了几十年的坎坷，虽然其应用形式与电池不同，但在实际应用上却总被电池取代，此外还面临成本高、技术难度大的劣势。

然而，超级电容器在技术上一旦取得突破，将可能对新能源产业的发展产生极大的推动力。

虽然研发过程困难重重，但攻克它的意义却很重大。

超级电容器的市场格局
根据2014年美国IDTechEX数据统计，全球超级电容器的市场规模从2010年的4.8亿美元增长到2014年的11亿美元，发展十分迅速。

在超级电容器的产业化方面，美国、日本、俄罗斯、瑞士、韩国、法国的一些公司凭借多年的研究开发和技术积累，目前处于领先地位。

国外主要的生产企业有：美国的Maxwell公司，俄罗斯的Econd公司、Elit公司，日本的Elna公司、Panasonic公司、Nec-Tokin公司，韩国的Ness公司、Korchip公司、Nuintek 公司等，这些公司目前占据着全球大部分市场。

目前中国厂商大多生产液体双电层电容器，重要企业有锦州富辰公司、北京集星公司、上海奥威公司等十多家。

锦州富辰公司是国内最大的超级电容器专业生产厂，主要生产纽扣型和卷绕型超级电容器。

北京集星公司可生产卷绕型和大型电容器。

国产超级电容器已占有中国市场60%~70%的份额。

石墨烯与超级电容器
众所周知，电极材料是超级电容器的关键所在，它决定着电容器的主要性能指标，如能量密度、功率密度和循环稳定性等。

截至目前，研究和应用最广泛的超级电容器电极材料主要是碳质材料，包括活性炭、活性碳纤维、碳纳米管等，其中最为成熟的是活性炭。

然而，它们的性能指标未来很难满足不断发展的微型能源系统的实际使用要求。

石墨烯与其它碳材料相比，比表面积大、电导率高、化学稳定性好，这些优良的性能使石墨烯及石墨烯基材料符合高能量密度和高功率密度的超级电容器
对电极材料的要求，是理想的候选电极材料。

表1不同电容器之间的性能对比
石墨烯是完全离散的单层石墨材料，其整个表面可以形成双电层，但是在形成宏观聚集体过程中，石墨烯片层之间互相杂乱叠加，使得形成的有效双电层面积减少（一般化学法制备获得的石墨烯具有200-1200m2/g）。

即使如此，石墨烯仍然可以获得100～230F/g的比电容。

如果其表面可以完全释放，将获得远高于多孔炭的比电容。

同时石墨烯片层所特有的褶皱以及叠加效果，可以形成的纳米孔道和纳米空穴，有利于电解液的扩散，因此石墨烯基超级电容器具有良好的功率特性。

国内外的科研人员和企业都对其进行了深入的研究。

石墨烯在超级电容器领域的应用成果
2013年5月，纽约石溪大学（SBU）与石墨烯实验室（Graphene Labs）签署了一项关于探究石墨烯应用的协议，主要是关于超级电容器和电池的。

2013年12月，公司宣布他们已经达到了一个重要的里程碑，即接收到了石墨烯超级电容器的原型。

超级电容器的原型是在石墨烯实验室利用一项专利技术并使用石墨烯复合材料制备而成的，测得该原型的比电容大约每克500法拉。

这个数值可以与学术报告里超级电容器的最佳值相媲美。

2015年5月6日，Sunvault能源公司宣布，与爱迪生电力公司合作开发出世界上最大的10,000法拉石墨烯超级电容器。

这是迄今为止，石墨烯电容器领域最具革命的突破，由Sunvault能源公司与爱迪生电力公司联合完成。

据Sunvault首席执行官介绍说：“这个技术更准确地定义为高功率密度电池和一个快充电容器和混合体。

”10,000法拉，该石墨烯超级电容器/电池强大到足以驱动半辆卡车。

目前，锂离子电池的生产成本约为500美元/每千瓦时。

特斯拉在内华达州建立的超级电池工厂将在2020年，将成本降到150美元/每千瓦时。

“相比之下，公司石墨烯基超级电容器的成本估算为大约100美元/每千瓦时，并有信心将成本减半。

”因此，从这个角度上来说，石墨烯基的超级电容器具有竞争力。

2015年10月9日，中国中车株洲电力机车有限公司对外发布消息，自主研制的新一代大功率石墨烯超级电容问世。

经院士专家组评审认定，其代表了目前世界超级电容单体技术的最高水平。

据了解，此次实现技术突破的超级电容分别为“3伏/12000法拉石墨烯/活性炭复合电极超级电容器”和“2.8伏/30000法拉石墨烯纳米混合型超级电容器”，功率提升三倍，电能运用效率更高，可运用时间更长。

目前中国内地每年在线运营公交客车更新约6万辆，如全部使用该超级电容作为主驱动电源，每年可节约电能5.84亿度，减少二氧化碳的排放670万吨。

从目前看到技术进展看，石墨烯有望提升超级电容能量密度达到10倍以上，未来可以大大改变目前超级电容性能上的不足。

目前世界石墨烯超级电容器能量密度最先进水平大约可以达到90Wh/kg（实验室水平），已经接近普通的锂电池。

一旦超级电容器突破了能源密度瓶颈，同时具备了高功率密度与高能量密度，必将在电池能源领域占据主导地位。

石墨烯在超级电容器领域的研究专家
西班牙巴塞罗那材料科学研究所高级研究科学家Pedro Gómez-Romero是超级电容器领域的知名专家，他领导的课题组主要从事导电高分子与氧化物、团簇和活性分子的纳米复合物杂化材料的研究，在能量存储和转换应用领域具有较高知名度。

国内宁波中车新能源科技有限公司的成果已投入应用，中国科学院重庆绿色智能技术研究院、中国科技大学、天津大学等科研单位在石墨烯超级电容器领域均有研究。

2017年9月24日-26日，即将举行的“2017中国国际石墨烯创新大会”专门设置了石墨烯新兴产业分论坛，讨论内容包括“石墨烯在超级电容器领域的应用”，来自国内外的专家将针对石墨烯在超级电容器领域的应用技术、研究、成果等内容展开讨论。

石墨烯超级电容器的未来发展趋势
毋庸置疑，超级电容器凭借自身使用寿命久、高充放电效率等显著特点，只
要找准自身发展的合适土壤，未来发展潜力巨大。

由2015欧盟石墨烯旗舰路线图预测，石墨烯在超级电容器方面的开发应用项目预计在3-5年内可得到商业化应用。

图1石墨烯-超级电容器的应用时间节点分析
超级电容器行业在不断抢占着全球市场，石墨烯-超级电容器更将以其高比表面积、晶体化结构和高电导率来提高比能量、延长使用寿命和提高比功率，在超级电容器领域表现出色，有效解决超级电容器面临的难题。

最初将应用在手持设备上，如移动电话，其尺寸限制将更高的溢价放在性能方面。

未来的超级电容器市场中，石墨烯基超级电容器将崭露头角。

备注：部分内容引自《2016全球石墨烯产业研究报告》（中国石墨烯产业技术创新战略联盟产业研究中心）
来源：中国石墨烯产业技术创新战略联盟。