概述

高性能石墨烯超级电容器的研发及产业化

需求详情

超级电容器的充放电发生在电极材料表面，在功率密度和循环次数上相比锂电池具备天然的优势，但较低的能量密度限制了其应用。目前，商业化的超级电容器一般都是基于活性炭电极和有机电解液，能量密度不超过10 Wh/Kg。其突破的关键在于设计和优化出高比容量和循环性能的电极体系。石墨烯，由于其独特的二维结构被认为是一种潜在的理想电极材料。通过提升材料的比表面积和制造丰富的孔结构，目前已有研制报道石墨烯基超级电容器的储能密度已经接近铅酸电池的水平（≥30 Wh/Kg），远高于传统的活性炭基超级电容器。但石墨烯超级电容器的商业级化应用依然面临三个关键难题：1、能量密度如何进一步提高；2、器件的宏观尺度构筑；3、如何合理控制超级电容器的制造成本。石墨烯电极的优异性质通常更容易表现在纳米或微米尺度，由于石墨烯二维片层极易受到范德瓦尔斯力影响发生堆叠，导致石墨烯超级电容器在宏观尺寸下的电化学性能发生急剧的衰减，无法商业化应用。因此实现制备工艺技术从微尺度向宏观尺度的跨越是解决商业化应用的关键，目前国内外以石墨烯为主要工作电极的超级电容研究成果层出不穷，但满足商业化需求具备推广价值的产品凤毛麟角。

技术参数

研发商业级的石墨烯超级电容器是当前该领域发展的瓶颈，对我国新能源产业和双碳战略的发展具有重要意义，本技术需求期望解决并实现的技术、经济指标如下：（1） 能量密度≥40 Wh/Kg;（2） 功率密度≥10 KW/Kg；（3） 单个器件重量不小于100 g。（4） 成本低于10元/Wh（采用国产PI）（5） 单体容量＞5000F

项目预期

该技术需求以规模和成本可控的高能束流直写技术实现宏观尺度三维多孔石墨烯电极的大面积、高效率制备，如何解决石墨烯电极面临着片层堆叠、离子扩散通道受阻等难题，是实现超高比容量石墨烯超级电容器商业化开发的重点研究对象，在超级电容器领域内具有创新意义。本技术需求提出了石墨烯商业化应用在宏观尺度（大面积和超高厚度）时，石墨烯电极片层堆叠、离子扩散通道受阻等难以解决的困难，如何通过解决上述技术需求从而实现石墨烯电极从实验室研究到市场化应用的跨越。