台湾石墨烯创客宫非：石墨烯很快就会普及

作者：宫非（志阳科技股份有限公司董事长）

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关于志阳科技：2012 年创立于台湾台中，公司选择从LED应用照明市场起跑，由于了解散热瓶颈而进入石墨烯材料基础研究，扎实的研制过程使公司取得领先全球的石墨烯粉末量产技 术。今年5月志阳科技与江西共青城市达成在共青城建立石墨烯产业园的意向，并签定石墨烯大功率LED、石墨烯超级锂电容、石墨烯电力合金电缆和石墨烯导热 材料产品的开发、生产和销售等与石墨烯关联的项目落户协议。

以下为宫非关于石墨烯未来前景的认识：

宏 观来看，石墨烯已经被证明有那么多优异的性质，在现今材料突破的方向发展绝对是正确的。但在微观的角度来看，先前因为石墨烯制备困难，业者认为性价比太低 没有意愿参与，现在可以量产了，价格也很低，现有氧化还原法做出的氧化石墨烯在机械性能可比拟石墨烯，但导电、导热等其他性能还不行，要还原到接近石墨烯 要花很大成本，这点中国从2008年发展至今，尚未有具体成果可证明。

但换个角度来看，未来如果价格跟氧化石墨烯一样，物性又接近石墨烯，那么我们在新闻上看到的所有石墨烯下游应用产品都将被实现。

我是很乐观的，我认为石墨烯很快就会普及，它会从接地气的复材、导电、导热、润滑及涂料等门坎较低的技术先产业化﹔第二阶段是纳米纤维、滤膜、复合金属、能源、感测、吸附及催化材料﹔最后是碳纤维、生医、半导体及光电器件。

据我们了解到的情况是，目前不少项目已经默默在各省石墨烯产业园推动了，只是因为企业讲究量产一致性，跟学界只是取得论文及专利的思维不同，如果没有做到可以立即取代现有产品的高性价比，企业通常会选择做到最好后再上市。

这里仅以石墨烯在超级电容器上的应用可能来说明石墨烯的潜力.

超级电容器又称为电化学电容器，过去多应用于需要提供瞬间超大电流电力，以及需要快速充电的场所。最近，我把石墨烯超级电容移动电源的想法向某些朋友提出，他们马上反应过来，认为LED路灯如果能搭配太阳能及超级电容储能改善，势必会造成相关产业再次洗牌。

超级电容器的储能机理区分为基于多孔电极/导电液界面上电荷分离所产生的电双层电容，及基于电极表面与体相发生可逆氧化还原反应的法拉第膺电容，但在电极面积相同的条件下，后者的比电容是前者的10~100倍左右，所以我们选择膺电容电容器来进行规划。

从 超级电容器的最大储存能量 E = 1/2 CT * V^2，且输出功率 P = V^2／4Rs，显示想要提高超级电容器的性能就必须从提高电极材料的比电容密度及电容器的额定电压、同时降低电容器的等效电阻着手。而电极材料的比电容 密度由电极的比表面积、孔隙分布、孔隙微观结构及材料表面状态等因素决定。所以，超级电容器电极材料除了需要具有较大比表面积外，其内部孔隙大小与结构要适合电解质离子吸附与脱附，电极表面要与电解液保持适当的浸润，这样才能够提高离子可利用的有效面积，提高电极的比电容密度。

另外，超级电容器的额定电压由其电解液的性质决定，我们原来想选择有机电解液，因为额定电压为 2.7V比水系的 1.0V好很多。但有机电解液电阻较大、电子迁移速率低，所以会降低超级电容器的充放电速率与能量密度，加上存在容易燃烧、安全性差等问题待克服，最后，我们选择离子液体 (4V)充当超级电容器的电解质，既可获得较高的工作电压和能量密度，又可以消除有机电解质的安全性疑虑。

接下来的工作重点是解决离子液体与电极材料的接触与匹配，充分平衡两者的优缺点。

在还没仔细说明后续作法前，我先来破除两个谬论，这两个谬论经常被大家用来当作发展石墨烯超级电容器的论点。

第一，大家都说因为石墨烯具有高比表面积及高导电率，所以可以做出最佳的超级电容。但为何一直没有看到产品呢? 原因在于石墨烯高比表面积并不表示电极材料就会有高比表面积，而且就算你做到高比表面积的电极材料，但内部孔隙结构不适合离子吸附与脱附，因此不见得会有高比电容；

第二，额定电压可以用离子液体去提升，只要找出离子液体与电极材料的匹配关系就可以控制这个变因。石墨烯高导电性的特性只在导电液有用处，但电极材料如果没有达到吸附和脱附作用，也是空有一身武功。所以，离子吸附脱附才是提高电极高比电容的主要变因。

大家可能不知道石墨烯微片应用在超级电容比石墨微片效果更差的原因在于﹕石墨烯边缘的吸附力大于石墨烯表面，系表面的大π键是饱和的，不利于吸附。那我们为何还选择石墨烯来改善超级电容器的储能效果?

我认为至少有两点是利用石墨烯作为突破点的机会：第一，通过改性石墨烯，使碳原子的连接单体产生缺陷，进而使缺陷处出现不饱和吸附力大增﹔同时，连接单体加大石墨烯片的间距，更有利于电解液的浸润。第二，超级电容器除了能量密度太小的问题外，循环稳定性也是待解决问题之一。石墨烯的似苯环结构在解决这个问题上可能会发生作用，许多研究都观察到石墨烯复材在循环过程中充放电曲线形状几乎没有发生变化，基本上呈镜像对称，证明石墨烯具有高稳定性。

所以，以为石墨烯导电性高、比表面积高就可以解决超级电容存在的问题，本身是一个不切实际的想法。我们决定做膺电容电容器，选择离子液体是因为额定电压高，最后就是选择电极材料了。

能产生膺电容的电极材料包括﹕金属氧化物及导电聚合物， 我们两种都有开发经验，所以都会去尝试，现在在考虑是以涂层还是气凝胶的型态做成电极材料。以导电聚合物为例，储能机理是发生电极反应时，聚合物发生快速 可逆的掺杂和去掺杂的氧化还原反应，伴随着离子嵌入／脱嵌聚合物主链以保持电中性，同时储存电荷。其中发生氧化反应的电极形成P型掺杂，发生还原反应的电 极形成 N型掺杂，电极能够嵌入／脱嵌离子的数量决定了超级电容器的比电容密度，因此必须在聚合物中保持适当的分子间隙，保持离子能进出电极内部，同时提高超级电 容器的比电容密度及充放电功率密度。

最后，我有两点观念要分享给各位。第一，最近欧盟发布的石墨烯产品有 600多种，每种石墨烯能够适用的范围不同，以往以为石墨烯是超级材料的观念要调整，把石墨烯当「增强体」会比较容易驾驭它﹔第二，所有事情都要回到材料物性与基本设计逻辑上去思考，要有好的吸附就要掺杂，掺杂势必牺牲原有的导电率，只是 trade-off点在哪而已。

有关石墨烯在其他领域上的应用详见宫非的知乎专栏，专栏地址：

http://zhuanlan.zhihu.com/graphene-allightec