超級電容，又名電化學(xué)電容，雙電層電容器、黃金電容、法拉電容，是從上世紀七、八十年代發(fā)展起來的通過極化電解質(zhì)來儲能的一種電化學(xué)元件。

超級電容工作原理

所有超級電容器的共性是，都包含一個正極，一個負極，及這兩個電極之間的隔膜，電解液填補由這兩個電極和隔膜分離出來的兩個的孔隙。

根據(jù)儲能機理不同可分為雙電層電容和法拉第準電容。

雙電層電容工作原理：當在兩個電極上施加電場后，溶液中的陰、陽離子分別向正、負電極遷移，在電極表面形成雙電層，完成充電過程；撤消電場后，電極上的正負電荷與溶液中的相反電荷離子相吸引而使雙電層穩(wěn)定，在正負極間產(chǎn)生相對穩(wěn)定的電位差。這時對某一電極而言，會在一定距離內(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；當將兩極與外電路連通時，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。

法拉第準電容工作原理：這種類型的電容儲存電荷的過程不僅包括雙電層上的存儲，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)。當電解液中的離子(如H+、OH-、K+或Li+)在外加電場的作用下由溶液中擴散到電極/溶液界面時，會通過界面上的氧化還原反應(yīng)而進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在電極中。放電時，這些進入氧化物中的離子又會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，同時所存儲的電荷通過外電路而釋放出來，這就是法拉第準電容的充放電機理。

石墨烯在超級電容中的應(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。

針對石墨烯粉體難以在其他材料中進行均勻分散的行業(yè)難題，研究者們設(shè)計了具有高導(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。

石墨烯基超級電容器

石墨烯被認為是高電壓、高容量、高功率超級電容器電極材料的選擇之一。2011年，Ruoff 教授利用KOH化學(xué)活化對石墨烯結(jié)構(gòu)進行修飾重構(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，比表面積達到 3100m2/g，遠高于石墨烯理論比表面積（2630m2/g）。在有機電解液中其比容量達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電容器能量密度的4倍。雖然現(xiàn)在石墨烯基超級電容器普遍的能量密度與鋰離子電池還有一定的差距，但長遠來看前者更有發(fā)展空間。

表：石墨烯基超級電容器與其它儲氫產(chǎn)品比較