超級電容器是一種新型儲能裝置，既具有電容器快速充放電的特性，同時又具有電池的儲能特性，而且循環壽命長且安全性高，因此有人認為超級電容總有一天會取代鋰電池。不過由于其能量密度低的短板，目前超級電容仍扮演著鋰電池的配角角色。但如果有“萬能材料” 石墨烯的加入，那情況會不會變得不一樣？

石墨烯基材料之所以被認為在超級電容器的應用中具有極大的潛力，是因為其獨特的二維結構和出色的固有的物理特性，諸如異常高的導電性和大表面積，因此它與傳統的電極材料相比，在能量儲存和釋放的過程中，顯示了一些新穎的特征和機制。

但石墨烯超級電容器的規模化應用需要在保持其優異電化學性能的前提下，實現宏觀尺度（大面積和超高厚度）上的電極制備與組裝。然而，在宏觀厚度的石墨烯電極中，離子擴散通常受到限制，石墨烯片層的堆疊也會引起較大的內阻，導致電化學性能降低。因此，如何設計制備出兼具宏觀厚度和豐富孔隙結構的電極材料是石墨烯超級電容器產業化應用所亟需解決的關鍵難題。

不過就在近期，科學家在該難題上成功取得了突破——中科院合肥研究院固體所王振洋研究員課題組實現了宏觀厚度石墨烯晶體膜大面積制備。據悉，科研人員采用過快速高效、過程簡單、環境友好、可同步圖案化的高能激光誘導法，在聚酰亞胺基底上進行三維多孔石墨烯晶體膜的原位制備。為了調控激光與聚酰亞胺前驅體的相互作用，科研人員通過控制原料化學計量比和酰亞胺化反應溫度來調控產物聚酰亞胺的酰亞胺化程度和分子構型，從而改變其熱敏感性。最終，在聚酰亞胺膜上原位生長出厚度高達320μm的分級多孔結構石墨烯晶體膜，其面積和體積比電容高達172.2 mF/cm²和4.13 mF/cm³，展現出巨大應用潛能。

聚酰亞胺的熱敏性調控及宏觀厚度石墨烯晶體膜的激光誘導生長

宏觀厚度石墨烯晶體膜的結構表征

進一步原位電沉積贗電容材料聚吡咯，可以制得石墨烯/聚吡咯復合電極，其面積比電容高達2412.2 mF/cm²。研究發現，以該復合電極材料作為電極制造的平面叉指形柔性全固微型態超級電容器，可獲得高達134.4μWh/cm²和325.2μW/cm²的能量密度和功率密度，且同時兼具優異的倍率性能、循環穩定性和機械柔韌性。

石墨烯/聚吡咯復合材料的超級電容性能

目前，相關結果已以“Ultra-thick 3D graphene frameworks with hierarchical pores for high-performance flexible micro-supercapacitors”為題發表在Journal of Power Sources上。

來源：中科院合肥物質科學研究院