我国成功研制出世界领先大功率石墨烯超级电容

10月9日，中国中车株洲电力机车有限公司对外发布消息，自主研制的新一代大功率石墨烯超级电容问世,其功率提升三倍,电能运用效率更高,可运用时间更长。经院士专家组评审认定，其代表了目前世界超级电容单体技术的最高水平。

中国中车表示,在日前举办的浙江省科技成果暨新产品鉴定会上,中国工程院院士杨裕生、刘友梅和“国家863节能储能项目”专家张世超教授等9位专家一致鉴定:3伏/12000法拉石墨烯/活性炭复合电极超级电容和2.8伏/30000法拉石墨烯纳米混合型超级电容代表了目前世界超级电容单体技术的最高水平。

据了解,相比传统充电装置,超级电容具有可充电100万次,充电时间只需数十秒以及无污染、爆炸风险等优势,可广泛运用于消费电子、轨道交通、城市公交系统、特种与航天、起重机械势能回收、发电与智能电网等领域。目前,中国中车株机公司研制的9500法拉、7500法拉等多款超级电容已运用于广州、宁波、武汉、淮安的有轨电车和无轨电车上。

此次实现技术突破的超级电容分别为“3伏/12000法拉石墨烯/活性炭复合电极超级电容器”和“2.8伏/30000法拉石墨烯纳米混合型超级电容器”。根据不同的容量和额定工作电压，3伏/12000法拉超级电容在30秒内即可充满电，2.8伏/30000法拉超级电容充电时间在1分钟内。相比活性炭超级电容，石墨烯/活性炭复合电极超级电容能量更大，寿命更长。

超级电容是物理式储能装置的典型，比传统充电装置具有无可比拟的优势。“传统充电装置充电次数10000次以内、充电时间长达数小时、存在爆炸与污染环境的风险，而超级电容充电100万次、数十秒、无污染以及爆炸风险”。中国中车株机公司技术中心副总监、宁波超级电容研究所所长阮殿波用一组对比形象地作了展示。阮殿波说，超级电容可广泛运用于消费电子、轨道交通、城市公交系统、特种与航天、起重机械势能回收、发电与智能电网等领域。

目前，超级电容在有轨电车和无轨电车上运用广泛，具有代表性。中国中车株机公司研制的9500法拉、7500法拉等多款超级电容已大量运用于广州、宁波、武汉、淮安的有轨电车和宁波市无轨电车上。

3伏/12000法拉超级电容适合用于有轨电车主驱动，单次充电行驶里程可达6公里，具有零排放特点，比有网电车节能30%以上。2.8伏/30000法拉超级电容适合用于无轨电车主驱动，单次充电行驶里程可从目前的4～6公里提高到8～10公里，实现车辆只需在首尾站点充电的要求，同时还具备充放电速率快、循环使用寿命长等优点。目前中国大陆每年在线运营公交客车更新约6万辆，如全部使用该超级电容作为主驱动电源，每年可节约电能5.84亿度，减少二氧化碳排放670万吨。

中国石墨烯生产获突破将增加激光发射器寿命

石墨烯是近年来各国重视的一种新型材料，它具备多种特殊的物理性质，在军民领域都有广泛的应用前景。但是石墨烯的大规模工业制备一直是世界性难题。最近浙江大学高分子系实验室取得了这方面的一个重要突破，通过使用新型的铁系氧化剂取代传统氧化剂，实现了快速、低成本、无污染制备石墨烯的新技术，有望解决这种材料的大规模工业化生产难题。据悉，石墨烯在电子、光学等领域的前景极为广阔。

“生产实验数据显示，用新方法在1个小时之内，就能做出这样的单层氧化石墨烯，未来有望在工业领域大规模应用。”近日，在浙江大学高分子系一个装满了瓶瓶罐罐的实验室中，该系教授高超一边给记者展示一种类似咖啡粉的褐色粉末，一边向记者介绍说。

《自然—通讯》杂志日前发表了一篇由高超课题组完成的石墨烯制备研究成果。该成果避开现有石墨烯制备方法的诸多缺陷，突破了传统氧化石墨烯制备方法，找到了一条低成本制备单层石墨烯的“绿色”路线。

石墨烯是一种由单层碳原子构成的类似正六角形的“蜂窝状”薄片。“20万片石墨烯加在一起，才相当于人类的一根头发丝粗细。”高超向记者介绍说，此前碳的这种二维结构形式一直存在于科学家的猜想中，却一直难以实现，其中的关键性难题就是如何把石墨分层到极薄的薄片。

2004年，英国曼彻斯特大学的海姆和诺沃肖洛夫最终制成了厚度只有0.335纳米的石墨烯，这是世界上第一次得到单层石墨烯，两人也因此获得2010年度诺贝尔物理学奖。目前，由两人提出的胶带纸粘贴法演化而来的机械剥离法已成为实验室制备石墨烯的一种常用方法。然而，该方法局限性十分明显，制成的是不同层数的石墨烯混合物，难以大规模制备单层石墨烯。

在高超看来，石墨烯若要真正实现应用，有三个关键问题需要解决：原料、材料和器件。原料就是石墨烯，尤其是单层石墨烯;材料是石墨烯原料组装成的宏观材料;器件就是把材料做成有功能的装备。“宏观材料问题已经基本解决了，最根本的原料问题仍然处于探索之中。”他说。

经过多年探索，该研究团队终于发现了一种新型、廉价、无毒的铁系氧化剂，取代了沿用半个多世纪的氯系、锰系氧化剂，使石墨烯制备过程快、成本低、无污染，适用于工业化大规模制备。《自然—通讯》审稿人评价：“该方法对石墨烯未来的进一步应用具有重要意义。”

关于新的石墨烯生成技术，高超解释说，铁氧化剂分子的“奔跑”速度非常快，可以像楔子一样，快速穿插进入石墨内部，使其快速分层。“在此过程中，还会产生氧气，这些气体会帮助其‘顶’开层层石墨，使制备速度加快。”他说。

这种制备方法之所以很“绿色”，是因为它没有爆炸隐患，不会产生有害物质，属于环境友好型技术。同时，生产实验数据显示，该方法在1个小时内就可以制备单层石墨烯，有望实现大规模工业应用。此外，在铁系氧化剂溶液中制得后，可以收干还原成为石墨烯粉末;在制作材料时，又能“速溶”于溶剂。这一特性可以让石墨烯原料便于保存和运输。

此次研究的成功并非一蹴而就。据了解，课题组此前已用石墨烯制作出多种形式的宏观材料和超级电容器、锂电池等器件。

高超的实验室环境也展现了他们的研究历程。在那里，记者看到大大小小的玻璃瓶中装着形态各异的石墨烯材料;有实验室拍摄的入选《自然》杂志2011年度图片的石墨烯打结图;甚至实验室纤细的文竹叶子上也“漂浮”着入选2013年度世界最轻固体材料纪录的石墨烯弹性气凝胶;还有像电影胶片一样、每分钟可以“纺”10米的连续石墨烯薄膜……高超介绍说，正是在此基础上，他们才开始考虑如何在原料层面突破现有难题，推动单层石墨烯规模化、低成本制备。

石墨烯的未来可能用途：

碳原子呈六角形网状键合的材料“石墨烯”具有很多出色的电特性、热特性以及机械特性。具体来说，具有在室温下也高达20万cm2/Vs以上的载流子迁移率，以及远远超过铜的对大电流密度的耐性。为此，石墨烯有看用于高速晶体管、触摸面板、太阳能电池用透明导电膜，以及成本低于铜但与铜相比可通过大电流的电线等。

最近，据国外媒报道，石墨烯拥有极强的光吸收能力，并且还能把吸收的光波迅速转化为波长更短、频率更高的激光，持续时间为几飞秒。科学家们表示，利用这个新发现，未来他们可以发明更耐高温的激光发射器(石墨烯超耐高温)。

当然，这个发现目前仅存在于实验室，如果科学家们建立出实体模型，将能够增加激光发射器的使用寿命和发射功率。