超級電容器是近年來快速發(fā)展的一種儲能器件。超級電容器的能量密度和功率密度填充了可充電電池和鋁電解電容器之間的空白。但是其功率密度距離鋁電解電容器之間仍然有很大的差距。高功率電容器是電容器發(fā)展中的一個重要研究方向。高功率超級電容器在可再生能源并網(wǎng)和電子電路的調(diào)頻中有巨大的應(yīng)用潛力。石墨烯電極，由于具有較高的電導(dǎo)率和短的離子傳輸路徑，是高功率電容器潛在的重要電極材料。但是石墨烯的制備過程復(fù)雜，產(chǎn)量低，因而他們的應(yīng)用受到限制。生物質(zhì)具有來源廣、產(chǎn)量高和可再生性好等特點。通過水熱碳化生物質(zhì)（例如，纖維素、木質(zhì)素、淀粉以及葡萄糖等）可以獲得無定形的水熱炭。但是水熱炭的孔結(jié)構(gòu)不夠發(fā)達(dá)，同時其電導(dǎo)率極低，因而其超級電容器應(yīng)用受到限制。

近期，沙特阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學(xué)的Husam N. Alshareef教授及其團隊采用CO₂激光一步轉(zhuǎn)化水熱炭球為三維石墨烯（LSG）電極。CO₂激光轉(zhuǎn)化實現(xiàn)了水熱炭從sp³碳到sp²炭之間的轉(zhuǎn)化。LSG的骨架內(nèi)部是亂層的多層石墨烯結(jié)構(gòu)。通過CO₂激光轉(zhuǎn)化水熱炭，LSG獲得了三維開放的大孔結(jié)構(gòu)，較高的比表面積（87.8 m²?g^-1）和較高的電導(dǎo)率（33.6 S cm^-1）。更重要的是，這種CO₂激光直接轉(zhuǎn)化的方法是一種石墨烯電極的直接制備技術(shù)，在激光轉(zhuǎn)化過程中，可以實現(xiàn)石墨烯和金屬集流體的直接組裝。LSG電極組裝的對稱超級電容器具有超高的功率特性：在1-2 V的電壓區(qū)間，LSG的功率密度為28 W cm^-3，是商業(yè)活性炭超級電容器的28倍。與此同時，LSG電極表現(xiàn)出很高的頻率響應(yīng)（120 Hz的RC時間常數(shù)為0.517 ms）和很長的循環(huán)壽命（1萬次循環(huán)容量保持率>98%）。

本研究提供了一種生物質(zhì)直接轉(zhuǎn)化為高功率石墨烯電極的方法。同時，這種方法避免了從活性物質(zhì)到電極之間的涂覆過程，可以直接用于現(xiàn)有的有機電解液超級電容器體系，因而，是一種很有潛力商業(yè)化的電容器電極制備方法。相關(guān)論文在線發(fā)表在Small Methods (DOI: 10.1002/smtd.201900005) 上，論文的第一作者為張文禮博士。