碳纳米储能材料发展迅速，质量容量性能不断刷新。但通常碳纳米材料的密度较低，导致其体积比容量有限，在很多时候很难将材料水平上的优异性能反映到最终的器件上。发展高体积能量密度储能材料，在器件水平上实现致密储能，对推动储能材料和器件的实用化至关重要。作为其它sp2碳质材料的基本结构单元和一种柔性二维材料，石墨烯通过组装可以实现纳米结构致密化，在致密储能方面具有先天优势。本文以石墨烯在超级电容器中的应用为主，分别从材料、电极、器件3个层次讨论了实用化储能器件的设计原则，梳理了高体积能量密度碳基储能材料的研究进展，重点介绍了高体积容量碳电极材料的致密化设计理念，强调了从器件角度考虑储能材料设计的重要性，并对致密储能面临的机遇和挑战作了分析。 能源的存储与利用是支撑人类社会高效运转的重要一环，地球资源的日趋枯竭和环境问题的不断加剧，催生了可再生能源的崛起，成为实现人类社会可持续健康发展的理想选择。成熟高效的储能技术是实现这种绿色低碳能源体系不可或缺的前提和保障，是广受关注的热点领域。由于具有灵活、高效、便捷等特质，电化学储能技术成为新能源电能存储的首要选择，它不仅对社会体系的能源配置和高效利用以及维护电网运行的安全性具有重要作用，同时也加速了其它领域技术的发展和成熟。如今，电化学储能器件已经成为每个人生活中必不可少的一部分，从便携式电子器件、电动汽车到大规模电网，人们对储能器件的需求日趋旺盛，也对电化学储能器件的性能提出了新的要求。特别是由于用户便携性需求的提高和使用空间的限制，在尽量小的体积下存储尽量高的容量成为对储能器件的普遍要求。可见，提高储能材料和器件的体积能量密度，实现致密储能对设计先进储能材料、构建高效电化学储能体系、推动下一代储能器件的实用化进程至关重要。 目前，各种针对新型储能材料的研发发展迅速，其中以石墨烯为代表的碳纳米材料是储能领域的研究热点，在锂离子电池、超级电容器以及各种新型储能体系中大放异彩。作为一类重要的储能器件，超级电容器依靠电解质离子在荷电电极表面形成稳定双电层或者在电极二维或准二维空间发生吸脱附或快速的氧化还原反应而储能，具有功率密度高、循环寿命长、可以实现快速充放电等优点，在电化学储能领域备受瞩目。对超级电容器来讲，碳材料一直是商业化和研发中采用的主要电极材料。由于独特的二维晶体结构和优异的光热力电等性质，石墨烯在超级电容器领域展现出巨大的潜力。石墨烯的本征容量约为21 μF/cm2，如果它的表面能全部被利用，仅双电层电容就可达550 F/g，另外，作为其它sp2碳材料的基本结构单元，石墨烯的出现为构建功能导向型碳材料提供了丰富的可能，将碳基材料的设计制备推向了新的发展阶段。与活性炭等传统碳材料相比，碳纳米材料的构建具有更大的发挥空间和结构调控幅度，可以更精确地实现功能调制，不断刷新着材料的质量容量性能，接近甚至超过了锂离子电池的水平。然而，许多材料的优异性能并没有很好地反映到器件上，在器件水平上的性能表现平平，大大降低了其实用化潜力，其中一个重要原因是，过去很多研究对储能材料性能的讨论大多局限在质量容量性能上。但是，许多碳纳米电极材料孔隙率高而密度很低，导致材料内部有大量的空间被电解液填充，仅增加了器件的重量而并没有贡献容量，从而拉低了整个器件的性能。同时，较低的密度意味着在限定的空间内较小的活性物质质量，导致电极材料和整个储能体系的体积能量密度非常有限。考虑到整个器件，和质量容量性能相比，体积容量性能被认为是评价超级电容器实用潜力更可靠的参数，尤其是对低密度材料和超薄电极更为重要。可见，储能材料的研发已经不能仅仅满足于追求高的质量能量密度，体积容量性能也应受到重视。在高质量容量特性基础上，开发高密度电极材料，提高电极空间利用率是实现致密储能的重要途径。由于具有二维柔性片层特征，石墨烯在电极材料致密化设计方面具有先天优势，催生了一系列高体积能量密度储能材料的成功研制，将致密储能带上了发展的快车道，并引领着其它材料在致密储能上的发展。同时，产业界和学术界对致密储能的逐渐重视也为石墨烯的发展带来了重大机遇。可以预见，石墨烯在致密储能方向的发展会加速推动储能技术的升级，最有可能实现石墨烯储能技术和应用的快速落地，从而将为推动石墨烯整个产业链的快速发展注入新活力。 本文以石墨烯在超级电容器中的应用为主，从材料、电极和器件多个角度讨论了实现致密储能的设计策略，并以电极材料的致密化设计为重点介绍了目前石墨烯在致密储能方向的主要研究进展，强调了从器件角度构建高体积储能材料的重要性，最后针对石墨烯用于高体积容量超级电容器的机遇和挑战做了简要评述和分析。2 石墨烯用于高体积能量密度超级电容器方 面的研究进展 高体积容量储能材料的研发是下一代能源器件研发的重要方向，有望成为解决储能领域瓶颈问题的突破口，也是推动石墨烯等碳纳米材料实用化进程的重要途径。致密储能的概念逐渐被广泛接受，体积容量参数已成为评价储能材料性能的重要标准，有力地拉近了材料研发和器件产业化应用之间的距离。作为碳材料的结构单元，石墨烯在致密储能方面具有先天优势，其基于界面组装的致密化构建不仅对石墨烯材料在储能领域的应用至关重要，而且对于解决碳基储能材料的应用瓶颈——低密度和低体积能量密度也具有重要意义。相关的高体积容量储能材料发展迅速，在包括超级电容器在内的很多领域展现出了良好的应用潜力，也为石墨烯的发展带来了新的机遇。在未来的器件构建中，规范高体积容量储能材料和器件的评价体系，从器件角度关注储能材料的设计制备，同时在电极材料致密化组装过程中兼顾高质量和高体积容量性能，保证石墨烯表面利用率以及倍率性能，对真正实现材料从研发到商业化的发展具有重要意义。陶莹等. 致密储能——石墨烯用于超级电容器的机遇和展望. 《储能科学与技术》，2016，5（6）：781-787.
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