详解石墨烯用于电池、超级电容器和其他能量储存

石墨烯目前是世界上研究最多的材料-这关于电能储存尤其如此，许多实验室的结果证实了其改变当今能源储存格局的潜力。

具体而言，石墨烯可以为储能装置供应几个新的特点，例如更小的电容器，完全柔性甚至可卷动的储能装置，透明电池以及大容量和快速充电装置。

尽管取得了显著的进展，但石墨烯在能源储存市场的未来仍面对诸多挑战。作者讨论并提出了解决这些挑战的方法，并简要讨论了其他新兴2D材料在储能应用方面的潜力。

石墨烯储能

石墨烯由于非常高的表面积而引起了应用于超级电容器的极大兴趣。然而要理解超级电容器中石墨烯的极限，重要的是要了解全封装产品的能量密度，而不仅仅是活性物质的电容。除了石墨烯的电容外，石墨烯基超级电容器的最大能量密度取决于其他几个参数，如石墨烯薄膜的厚度和密度，以及包括电流收集器和分离器在内的其他电池元件，电解液的性质和密度，电池的工作电压窗口和封装效率等。

石墨烯在广泛的电池中也非常有用，包括氧化还原液流电池、金属空气电池、锂硫电池、更重要的是锂离子电池。石墨烯可以被化学加工成各种形式，既适用于正极，也适用于负极，从而能够制造出具有超高能量密度的全石墨烯电池。

研究人员还多次展示了石墨烯复合材料的使用，例如碳纳米管/石墨烯三明治，用于高速率锂硫电池或促进锂金属电池；或与二硫化钼一起用作钠离子电池的高性能电极。甚至使用石墨烯油墨的3D打印石墨烯电池也已经被证实

电池用石墨烯的合成与组装

以量子点(0D)、导线(1D)、薄膜(2D)、整料（3D）和具有潜力的4D自愈和/或自折叠结构的形式覆盖所有四维形式产品，可以制备出各种独特的石墨烯宏观组装体，如下图所示：

石墨烯的合成与组装可以操纵石墨烯片形成宏观结构，利用各个石墨烯片的独特特点来构建可用于许多不同应用的新石墨烯结构。2D石墨烯片可以组装成各种维度的宏观结构：0D量子点，1D线性结构，2D膜，3D整料和潜在的4D自折叠结构。描述了制备这些结构的方法以及它们如何影响石墨烯的性质和应用。AAO，阳极氧化铝;CNT，碳纳米管;CVD，化学气相沉积;GO，氧化石墨烯;量子点，量子点。（点击图片放大）

石墨烯的加工

为了实现石墨烯的商业潜力，有必要开发性能可靠，成本效益高，操作简便的工业化石墨烯电极制造工艺。

溶液处理为石墨烯电极的制造供应了一种简单而有效的策略，并且与目前工业上用于制备电池电极的生产工艺相兼容。

石墨烯粉体可以使用各种涂布技术加工成电极，包括浸涂，棒涂，喷涂，喷墨印刷，旋涂，丝网印刷，凹版印刷，刮涂，静电纺丝，电沉积，真空过滤，滴注，界面沉积，Langmuir-Blodgett沉积和逐层组装。

最合适的涂覆技术取决于最终电极的所需性质和尺寸以及粉体中所需的膜厚度和石墨烯的量。另一个重要的参数是设备的设计，即是否要传统的三明治结构或平面储能设备。

为电池供应一组新功能

现在智能手机和其他便携式电子设备已经无处不在，一个重要的问题仍然存在：电池技术没有跟上对它们的需求。此外，由于缺乏可靠的电池，电动汽车仍然无法在使用内燃机的车辆上被轻易采用。很快，石墨烯就可以建立新一代的储能设备，具备现有技术不可能具备12个新特性，如下表所述：

石墨烯的局限性和可能的解决方法

在这篇评论的最后一部分，作者讨论了为实现石墨烯电池和超级电容器的实际应用而要解决的许多挑战。

尽管研究人员已经证明石墨烯电池和超级电容器的性能特点远远超过了商用电池的性能，但缺乏大规模生产高质量石墨烯的可行技术还是限制了其潜力。

石墨烯生产成本的估算取决于材料的质量，从每千克几十到几千美元不等，但仍然不能与最时髦的材料竞争。例如，超级电容器目前使用的活性碳成本非常低（每公斤15美元），对其他材料的进入是很大的障碍。

作者认为，石墨烯由于其优异的电化学性能和独特的大表面积、高导电性和优异的机械性能的独特组合，已经改变了储能领域的面貌。然而，由石墨烯构建的储能装置的全部潜力尚未实现，特别是在低成本大量生产具有可控微观结构和低残余氧含量的石墨烯的可行技术方面仍存在许多挑战。

他还认为，应用理论计算和实验研究解决现有的挑战，应该做更多的研究努力。进一步了解石墨烯片在纳米尺度上的相互用途，形成不同形状和尺寸的自组装结构将推动石墨烯更多的潜在应用。预计石墨烯研究将在未来十年内继续迅速扩大，将会对我们的生活出现真正的影响。