超級(jí)電容，又名電化學(xué)電容，雙電層電容器、黃金電容、法拉電容，是從上世紀(jì)七、八十年代發(fā)展起來的通過極化電解質(zhì)來儲(chǔ)能的一種電化學(xué)元件。
超級(jí)電容工作原理
所有超級(jí)電容器的共性是，都包含一個(gè)正極，一個(gè)負(fù)極，及這兩個(gè)電極之間的隔膜，電解液填補(bǔ)由這兩個(gè)電極和隔膜分離出來的兩個(gè)的孔隙。
根據(jù)儲(chǔ)能機(jī)理不同可分為雙電層電容和法拉第準(zhǔn)電容。
雙電層電容工作原理：當(dāng)在兩個(gè)電極上施加電場(chǎng)后，溶液中的陰、陽(yáng)離子分別向正、負(fù)電極遷移，在電極表面形成雙電層，完成充電過程；撤消電場(chǎng)后，電極上的正負(fù)電荷與溶液中的相反電荷離子相吸引而使雙電層穩(wěn)定，在正負(fù)極間產(chǎn)生相對(duì)穩(wěn)定的電位差。這時(shí)對(duì)某一電極而言，會(huì)在一定距離內(nèi)(分散層)產(chǎn)生與電極上的電荷等量的異性離子電荷，使其保持電中性；當(dāng)將兩極與外電路連通時(shí)，電極上的電荷遷移而在外電路中產(chǎn)生電流，溶液中的離子遷移到溶液中呈電中性，完成放電過程。以上就是雙電層電容的充放電原理。
法拉第準(zhǔn)電容工作原理：這種類型的電容儲(chǔ)存電荷的過程不僅包括雙電層上的存儲(chǔ)，還包括電解液離子與電極活性物質(zhì)發(fā)生的氧化還原反應(yīng)。當(dāng)電解液中的離子(如H+、OH-、K+或Li+)在外加電場(chǎng)的作用下由溶液中擴(kuò)散到電極/溶液界面時(shí)，會(huì)通過界面上的氧化還原反應(yīng)而進(jìn)入到電極表面活性氧化物的體相中，從而使得大量的電荷被存儲(chǔ)在電極中。放電時(shí)，這些進(jìn)入氧化物中的離子又會(huì)通過以上氧化還原反應(yīng)的逆反應(yīng)重新返回到電解液中，同時(shí)所存儲(chǔ)的電荷通過外電路而釋放出來，這就是法拉第準(zhǔn)電容的充放電機(jī)理。
石墨烯在超級(jí)電容中的應(yīng)用
石墨烯導(dǎo)電劑
石墨烯作為導(dǎo)電性極佳的“至柔至薄”二維材料，是一種高性能導(dǎo)電添加劑。它可以與超級(jí)電容器電極中活性炭顆粒形成二維導(dǎo)電接觸，在電極中構(gòu)建“至柔-至薄-至密”的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，降低電極內(nèi)阻，改善電容的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。
針對(duì)石墨烯粉體難以在其他材料中進(jìn)行均勻分散的行業(yè)難題，研究者們?cè)O(shè)計(jì)了具有高導(dǎo)電性極易分散的石墨烯/碳黑復(fù)合導(dǎo)電劑粉體（石墨烯含量在50%以上），利用碳黑的阻隔作用，可實(shí)現(xiàn)石墨烯在電極中的均勻分散，從而構(gòu)建三維導(dǎo)電通路，有效提升了超級(jí)電容的性能，其其制備原理及結(jié)構(gòu)表征如圖所示。
石墨烯基超級(jí)電容器
石墨烯被認(rèn)為是高電壓、高容量、高功率超級(jí)電容器電極材料的選擇之一。2011年，Ruoff 教授利用KOH化學(xué)活化對(duì)石墨烯結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾重構(gòu)，形成具有連續(xù)三維孔結(jié)構(gòu)的活性石墨烯。它富含大量的微孔和中孔，比表面積達(dá)到 3100m2/g，遠(yuǎn)高于石墨烯理論比表面積（2630m2/g）。在有機(jī)電解液中其比容量達(dá)200F/g（工作電壓3.5V，電流密度0.7A/g），基于整體器件的能量超過20Wh/kg，是目前活性炭基超級(jí)電容器能量密度的4倍。雖然現(xiàn)在石墨烯基超級(jí)電容器普遍的能量密度與鋰離子電池還有一定的差距，但長(zhǎng)遠(yuǎn)來看前者更有發(fā)展空間。
表：石墨烯基超級(jí)電容器與其它儲(chǔ)氫產(chǎn)品比較
