1 石墨烯的结构以及制备方法

1.1 石墨烯的结构

石墨烯是零带隙半导体，厚度仅为0.35nm，其在平面内由一个碳原子和邻近的三个碳原子通过sp2杂化方式形成的键相连，呈六角形蜂巢晶格状，厚度仅为单层碳原子直径，垂直石墨烯平面方向则由2pz轨道相互耦合形成了弱的键，石墨烯的输运性质由离域化的电子决定[8]，而电子的费米面刚好位于导价带的接触点。

该点附近的圆锥形能带结构分别称为K和谷，其导价带结构呈现出线性的色散关系，这种关系与描述无质量狄拉克费米子的狄拉克能谱的关系十分相似，因此可以把石墨烯中的载流子看成无质量的狄拉克费米子[11]。这致使石墨烯具有许多特殊的性质，如反常半整数量子霍尔效应、克莱因隧穿等[5]。

由于尺寸限制，实际中的石墨烯会有边界，并且边界原子不像内部原子一样为sp2杂化。当石墨烯尺寸足够小而形成纳米带时，其边界效应就会显现，通常常见的边界有zigzag（锯齿形）边界和armchair（扶手梯形）边界。

其中zigzag边界的石墨烯纳米带具有自旋极化现象，并有着良好的磁学特征，而armchair边界的石墨烯纳米带则没有该现象，整体是无磁性的，在热力学上也更加稳定[12]。随着尺寸的减小，边界对石墨烯材料的电子性质、传输性质、化学和磁学等性质的影响会越显著[13]。

此外，在石墨烯的生产过程中，不可避免地会产生本征缺陷。这些缺陷主要包括Stone-Wales缺陷、空位缺陷、线缺陷、边界缺陷等，它们即使在低浓度的情况下，对石墨烯的物理和化学性质也会有较严重的影响[8,9]。

1.2 石墨烯的常用制备方法

石墨烯的制备方法可以分为物理方法和化学方法，目前常用的物理制备方法有机械剥离法、液相或气相剥离法等，化学方法有氧化还原法、外延生长法、化学气相沉积法、电弧放电法等，其优缺点可见表1[6,10,14-17]。

表1 石墨烯的常用制备方法对比

2 锂离子电池

锂离子电池因具有电池电压高、比能量大的特点，是当前最受青睐的循环电池。随着技术的发展，人们对锂离子电池也提出了更高的要求，而石墨烯作为一种新型材料，其特殊的三维网络结构、核壳结构、层状结构、多级孔结构[18]以及优异电学性能使其对改善锂离子电池电极有极大帮助，如石墨烯直接作电极材料可以得到540mA∙h/g的容量，若在石墨烯层中掺入碳纳米管或者富勒烯则电池容量可分别上升到730mA∙h/g和784mA∙h/g[19]，是当前锂离子电池的研究热点之一。

2.1 正极材料

目前锂离子电池正极主要存在离子和电子迁移率低、可逆比容量低等问题，研究较多的材料有磷酸铁锂、锰酸锂等，但这些材料也存在各自的问题，将石墨烯材料与它们进行复合，为解决这些问题开辟了新的路径。

2.1.1 磷酸铁锂LiFePO4

施轶通过微波水热法合成了高度有序的LiFePO4/C/石墨烯纳米材料，这种材料中无定形碳包裹了LiFePO4纳米粒，使电解液能得到充分接触，在0.1C倍率下，放电容量为168mA∙h/g，接近LiFePO4材料的理论容量170mA∙h/g，而增大到10C高倍率下仍保持88mA∙h/g的容量，再回到初始倍率时，LiFePO4/C/石墨烯电池仍保留99%的初始容量[20]。

J. Mun等通过溶胶凝胶法将LiFePO4纳米粒和还原氧化石墨烯（rGO）结合，使材料高度介孔化。在0.1C倍率下循环100次后电池容量仍有146mA∙h/g，10C倍率下循环100次也仍有125mA∙h/g，比同条件下纯LiFePO4高43.5mA∙h/g。在10C倍率下循环200次后复合物的容量仍保留92.48%[21]。

Zhang Yin等以乙醇为介质通过水热溶剂法，将LiFePO4包覆在石墨烯下，限制了其团聚，有利于锂离子的传导。在0.1C倍率下，放电容量为160mA·h/g，即使在20C和40C的大放电倍率下仍有72.7mA·h/g和42mA·h/g[22]。

雷兴领通过球磨法加热掺杂碳纳米管与石墨烯到LiFePO4中，因为交联的碳纳米管网络促进石墨稀片材的拉伸，减少了石墨烯的褶皱。在0.2C倍率下，首次放电容量达到164.5mA∙h/g，20C倍率时仍保持容量106.7mA∙h/g，是初始容量的65.4%，在100次充放电循环后，放电容量仅降低了2%[23]。

王亚萍通过喷雾-热化学反应法制得LiFePO4/石墨烯复合材料，在0.1C和1C倍率的电流密度下放电比容量分别为162mA∙h/g和129mA∙h/g[24]。

2.1.2 锰酸锂LiMn2O4

H. K. Noh等通过在惰性气体下的球磨加热法，实现了将石墨烯对LiMn2O4粒子的包覆，缓解了材料在放电过程中体积和结构的变化，从而改善了LiMn2O4的导电性。相比纯LiMn2O4，该LiMn2O4/G的放电电压更高，放电截止电压达2.5V，而容量也由120mA∙h/g提高到220mA∙h/g[25]。

Y. L. Cui等通过冷冻干燥法将Hummer法制得的多层石墨烯与溶胶凝胶法制得的LiMn2O4进行混合，得到LiMn2O4/G纳米复合材料，该材料具有稳定的三维空间网状结构，最大放电容量为130.24mA∙h/g，循环50次后容量保持率为81.40%，100次后为容量保持率为74.31%[26]。

Lin Binghui等通过水热法将LiMn2O4和石墨烯混合，制得LiMn2O4/G纳米片，首次放电容量为151mA∙h/g，充电容量为139mA∙h/g，库仑效率为92%，比纯LiMn2O4高6%。循环200次充放电后，可逆比容量为121mA∙h/g，比纯LiMn2O4高50mA∙h/g[27]。

通过上述研究可以看出，将石墨烯与锂离子正极材料复合可以使得石墨烯将正极材料包裹或为正极材料提供附着点，从而有助于缓解锂离子进出时引起的材料体积增大而变形，同时三维网状结构或介孔结构的石墨烯也有利于电解质离子的传输，并提高材料导电性，从而提高材料的电池性能。

2.2 负极材料

由于导电、导热性能良好、化学性能稳定和具有较高的锂离子容量，石墨是目前主要的锂离子电池负极材料之一，但由于离子传输速率低以及能量密度低等原因，石墨已难以满足目前对锂离子电池的需求。

而石墨烯作为一种新型材料，在包含石墨众多优点的同时还具有高的理论比表面积2 630m2/g、非常短的锂离子迁移距离和其他优点[28]，能有效提高锂离子电池性能，但也存在不可逆比容量大、首次充放电效率低、没有明显的充放电平台、体积能量密度低等问题[29]，所以还需对其进行改进。目前石墨烯的改性方法主要分为三种：第一是进行多孔化处理，第二是其他元素掺杂，第三是与其他纳米级负极材料进行复合。

2.2.1 多孔化处理

多孔化处理是为了使石墨烯拥有更大的比表面积和更多的缺陷，以增加锂离子的活性位点，缩短脱锂嵌锂路径，获得更好的电化学性能[30-33]。

Fang Yin等制作出了二维有序介孔石墨烯纳米片，其在100mA/g的电流密度下比容量达1 040mA·h/g[34]；蔡丹丹通过冷冻干燥制出了多孔石墨烯，其在100mA/g的电流密度下可逆比容量达到了1 132.9mA∙h/g[28]；A. Manthiram等制出了随机堆放多孔石墨烯，其表现出高达2 207mA∙h/g的首次放电比容量[35]。

多孔化处理可以使石墨烯增大一定的比容量，但仍存在许多问题，一般将其与其他改性技术进行结合使用。

2.2.2 其他元素掺杂

掺杂同样能使石墨烯的比表面积增大以及形成更多的结构缺陷，同时还能使其具有更好的循环稳定性、容量保持率和高倍率性[36,37]。Li Xifei等通过在氨气环境下的热退火法得到氮掺杂石墨烯，在500次循环后比容量仍有684mA·h/g，循环性能优越[36]。

蔡丹丹通过三聚氰胺与热剥落石墨烯制得氮掺杂石墨烯，在0.5A/g电流密度下可逆比容量达608mA∙h/g，在20A/g电流密度下仍保留241mA∙h/g[28]。Wu Zhongshui等在Ar/NH3、Ar/BCl3混合气体下热处理石墨烯分别得到氮掺杂石墨烯和硼掺杂石墨烯，均表现出高可逆比容量，并在25A/g大电流密度下仍分别保持199mA∙h/g和235mA∙h/g的可逆比容量[37]。

Xiong Dongbin等制得了三维多孔结构的氮掺杂石墨烯，在50mA/g电流密度下循环200次可逆比容量为344mA∙h/g，在1A/g电流密度下循环1 000次可逆比容量为146mA∙h/g[38]。Zhang Chenzhen等通过热退火法制得磷掺杂石墨烯，在0.1A/g电流密度下可逆比容量达460mA∙h/g，在80次循环后仍有99%的保留率[39]。此外，还有氟掺杂石墨烯[40]、硫掺杂石墨烯[41]等。

为了更好地提高石墨烯的性能，多元素掺杂石墨烯也在研究中。Ma Xinlong等制得的磷氮双掺杂多层多孔石墨烯在50mA/g的电流密度下展现出2 250mA·h/g的高可逆比容量，并在1A/g的电流密度下仍保有750mA·h/g的可逆比容量[42]。Wang Zhongli等制得的硫氮双掺杂多层多孔石墨烯则有超高的倍率性能，在80A/g的电流密度下仍保留322W·h/kg的能量密度[43]。

由于其他元素的掺杂，使石墨烯的拓扑缺陷得以增加，为锂离子的储存提供了更多活性位点；并改变部分碳原子的杂化形式，如由原来C=C的sp2杂化结合变为N和C原子的结合，这有利于大π键的形成，从而增强其导电性，进而提高了石墨烯的比容量。

2.2.3 与其他纳米级负极材料进行复合

除石墨外锂离子电池还有其他负极材料，它们都有着各自的优异之处，但也因各自存在的问题使得它们的使用受到限制，而石墨烯的特殊性质和结构为解决这些问题提供了途径。

石墨烯对其他纳米级材料的主要作用有：①其表面缺陷和边缘节点提供储锂和电化学反应的空间；②包覆纳米材料，或作为支撑体，防止粒子堆垛，调控材料尺寸和形状[44]；③缓解纳米材料在充放电过程中的体积膨胀[45]；④其表面的含氧官能团可与金属氧化物成键，有利于倍率和循环性能的提升[46]；⑤增强电极材料的导电性能。

1）与合金化机制材料进行复合：合金化机制的锂电池负极材料主要有硅基材料和锡基材料等，通过与锂离子形成合金而实现储锂，具有较高的理论容量，但在充放电过程中会因为巨大的体积变化而影响循环性能。Qin Jian等通过CVD法制得三维介孔石墨烯/Sn基复合材料，在2A/g的电流密度下循环1 000次仍有682mA·h/g容量[47]。

刘佳通过向SnO2微球体系中加入了NaOH和CTAB表面活性剂，制备了SnO2纳米球/石墨烯复合材料，在电流密度100mA/g时，其首次可逆放电容量达到1 306mA·h/g，50次循环后仍保留592mA·h/g[48]。白雪君等通过在石墨烯水凝胶中引入SnO2纳米颗粒，制得三维SnO2/石墨烯复合材料，在5A/g的大电流密度下循环60次容量能稳定在500mA∙h/g[49]。

Wang Shuai等通过水热法合成了钨掺杂的SnO2/ rGO复合材料，钨掺杂的SnO2在石墨烯表面原位生长，形成三维导电网络，有利于电子和离子的扩散，且有效缓解了SnO2的团聚和膨胀，该材料在0.1A/g的电流密度下初始容量为1 240mA∙h/g，循环100次后保持为1 100mA∙h/g，且在1A/g下循环2 000次容量保持为776mA∙h/g[50]。

Zhou Xiangyan等通过将以Sn基低温煅烧制得的秋葵状SnO2和氮掺杂氧化石墨烯N-GO一同经水合肼蒸汽还原制得SnO2@N-rGO复合材料，N-rGO将众多SnO2微晶包裹起来，为其提供锂离子存储空间，并增强其导电率，该材料在200mA/g的电流密度下充电容量为1 363mA·h/g，库仑效率为61.5%，循环180次后保持为1 041mA·h/g[51]。

此外，还有锗基[52]、锑基[53]等与石墨烯的复合。

通过以上研究可以知道，将石墨烯与合金化机制锂离子负极材料进行复合的主要优势是充分利用石墨烯的表面缺陷或者其三维介孔网络结构，为锂离子提供充放电过程中的存储空间，同时利用石墨烯本身的柔韧性缓解负极材料的体积变化而形成的材料崩坏，从而有效地提高负极材料的循环性能。

2）与转化机制材料进行复合：转化机制锂电池负极材料一般为金属氧化物和有机聚合物等，通过与锂离子发生可逆的氧化还原反应而实现储锂，也具有较高的理论容量，但一般存在着导电性能差且首次不可逆比容量高、电压滞后严重等问题。

Sun Hongtao等制得石墨烯纳米片包覆着中空Co3O4的核壳结构，在1A/g下循环500次后容量仍保持在600mA/g[54]。Ran Tian等通过水热法制得MoS2/石墨烯纳米杆复合材料，在200mA∙h/g下循环80次仍有1 009.4mA∙h/g的可逆比容量，即使在3A/g的大电流密度下仍保有606.8mA∙h/g[55]。

Xiao Wei等通过聚乙烯吡咯烷酮辅助水热法制得Fe2O3/石墨烯，在50mA/g电流密度下50次循环后可逆比容量为1 069mA∙h/g，电流密度提高到1A/g时，仍有534mA∙h/g。Huang Xiaodan等制得Fe3O4/纳米多孔石墨烯[57]，在1A/g下比容量高达1 427.5mA·h/g[56]。Deng Jianwen等通过水热法和CVD法制得石墨烯纳米薄层核壳包覆MnO2，薄层上的MnO2的骨架呈花瓣状，在500mA/g下循环300次后仍有高达1 200mA·h/g的容量[58]。

Jing Mingjun等通过静电自组装法将Co3O4玫瑰球嵌入石墨烯中，制得Co3O4/石墨烯复合材料，有效缓解了Co3O4的体积增大带来的结构应变，在90mA/g电流密度下稳定可逆比容量为1 110.8mA∙h/g，提高到1.8A/g时为462.3mA∙h/g[59]。

Yang Yang等通过电泳沉积法制得Co3O4/石墨烯复合材料，该材料中Co3O4纳米颗粒均匀地嵌入石墨烯中形成三明治结构，在循环过程中能较好地保持结构的完整性，在0.2A/g的电流密度下循环100次后可逆比容量为1 113mA·h/g，在1A/g下循环750次后为602.3mA·h/g[60]。

Li Ting等通过溶剂热法制得Fe2O3/石墨烯复合材料，该材料中Fe2O3颗粒均匀固定地生长在石墨烯表面，有效防止了循环过程中颗粒的团聚，在50mA/g的电流密度下可逆比容量为610mA·h/g，库仑效率为71%，在2A/g时可逆比容量保持在216mA·h/g[61]。

可以看出，通过与石墨烯的复合，可以使转化机制的负极材料有较好的生长点位或者能够被石墨烯包覆，从而有效地缓解了材料颗粒在循环过程中的团聚现象；此外，石墨烯的弹性夹层和空隙能为负极材料提供良好的氧化还原反应空间，保证其晶体结构不会因体积增大而挤压破坏，同时这些夹层和空隙也能保证离子传输通道的通畅，从而提高负极材料的可逆比容量。

3）与嵌入脱出机制材料进行复合：嵌入脱出机制锂电池负极材料主要为钛类氧化物TiO2、Li4Ti5O12等，其储锂是通过充放电时锂离子嵌入或脱出电极材料的分子结构空隙而实现，引起的体积变化相对较小，且能有效解决锂在负极产生枝晶的问题[62]，但存在着理论容量低、导电性能差等问题。

Ding Shujiang等通过在石墨烯基底上生长TiO2的方法制得TiO2/石墨烯复合材料，其在168mA/g下循环120次容量仍有161mA∙h/g，接近其理论值，并在1 680mA/g下保持119mA∙h/g的容量[63]。

蔡丹丹通过气液界面法制得TiO2/石墨烯复合材料，在3A/g电流密度下，比容量达到150mA·h/g[28]。Kong Dezhi等制得三维蒲公英状Li4Ti5O12/石墨烯微球，提升了导电性，在120mA/g下循环500次后容量保持在206mA·h/g，并在1.92A/g下保持120mA·h/g的容量[64]。

林子夏通过在热剥离的石墨烯层间原位生长Li4Ti5O12颗粒得到复合材料，其在5C倍率下循环5 000次后容量只衰减了6%，有极高的循环寿命。可逆比容量由0.2C时的162mA∙h/g到50C时的117mA∙h/g仅衰减27.8%，有良好的倍率性能[65]。樊晓东通过水溶液法制得TiO2/rGO复合材料，其在15mA/g的电流密度下充电容量为289.1mA∙h/g，库仑效率为95.73%，循环50次后为271.6mA∙h/g[66]。

由于石墨烯的加入，使TiO2有较好的生长位点，减轻了TiO2纳米粒的团聚现象，从而提高了TiO2晶体供锂离子进行嵌入脱出的有效面积，也改善了锂离子的传输通道，使得负极容量增大，此外，石墨烯本身就具有较大的负极容量，而其优秀的导电率也能提高电子的传输效率，进一步改善嵌入脱出机制负极材料的性能。

2.3 其他应用

由于石墨烯的电学、力学性能都很优异，所以柔性电池生成成为可能。李娜设计出一种新型柔性锂离子全电池，实现了柔性全电池在弯折状态下的快速充放电[67]。该全电池的比容量为143mA·h/g，质量能量密度达到110W∙h/kg，进行弯折半径为5mm的20次弯折后，没有电化学性能极化现象，同时比容量衰减不到1%。在弯折条件且10C倍率下可逆比容量为117mA∙h/g，保持率为1C倍率的88%，再循环100次后衰减仅为4%。

2.4 小结

石墨烯作为一种优秀的新型材料，在锂离子电池领域得到了广泛的研究，无论是正极材料还是负极材料，石墨烯对它们的作用都基本相似，即通过提供良好的通道和空间供锂离子与材料进行结合以更好地完成充电或放电的过程，并缓解循环过程中材料的体积变化而造成的结构变形，以及提高材料导电率。

目前石墨烯在锂离子电池领域的研究主要在于寻找更好的生产工艺来提高石墨烯的有效比表面积以及改善石墨烯与电极材料的结合形式，此外由于石墨烯力学性能也很优秀，使得柔性电池的研究也成为了热点。

3 超级电容器

超级电容器是一种介于传统电容元件和化学电池之间的新型储能元件[68]，与传统电池相比，主要有电容量大、充电时间极短、循环寿命长、温度适应范围宽、能实现高功率密度运行等优势。根据存储机理可将超级电容器分成双电层电容器、法拉第赝电容器及复合电容器[69,70]三类。

双电层电容器的储能方式属于静电储能，充电时电解质中的正负离子分别移动到与其相反电荷的一端形成双电层，放电时正负离子重新扩散至电解质中；法拉第赝电容的储能方式属于化学储能，充放电时活性电极与电解质间发生快速可逆的吸附/脱附或者氧化/还原反应，实现电子的转移和储存；复合电容器则是对前两种电容器储能方式的综合利用。

随着技术水平的提高，人们对超级电容器的要求也越来越高，而作为新型碳材料的石墨烯，拥有2 630m2/g的理论比表面积，按此计算其理论比电容可达550F/g[69,71]，因而倍受关注。

然而在实际生产中，石墨烯超级电容器受到石墨烯孔径大小和孔径分布、表面缺陷、片层堆垛和无序搭接等因素限制，使得其有效利用比表面积达不到预期，表观密度值也较低，因此通常其达到的比电容只有100～200F/g[72]，体积能量密度也较低[73]，这些都严重限制了石墨烯的应用。

因此本节就如何改善石墨烯在实际应用中的缺陷，挖掘其优势，进一步发挥其在超级电容器领域中作用的几个研究要点进行综述。

3.1 提高石墨烯有效利用的比表面积

石墨烯所拥有的较大的理论比表面积，非常有利于电极对正负离子的吸附，以实现电荷的存储，是决定石墨烯具有较大比电容值的关键参数，因而如何提高石墨烯有效利用比表面积，使之尽可能达到理论比表面积是改善石墨烯的关键点，目前的研究主要在于改善石墨烯的形貌和改善石墨烯片层堆叠两个方面。

3.1.1 改善石墨烯的形貌

对石墨烯形貌的改善主要包括对其空间结构、表面介孔孔径大小及介孔分布情况的改善。汪建德等通过超声分散将未经干燥的氧化石墨烯凝胶制成溶胶，再采用一步水热法制得具有三维多孔网状结构的rGO，该结构能为电解质离子提供良好的传输通道和存储空间，因此得到的rGO的比电容在500mA/g的电流密度下可达294F/g，且在1A/g电流密度下循环1 000次后仍高达247F/g，保持率为88.85%[74]。

高涛通过水热法将氧化石墨、由液相超声剥离石墨制得的石墨烯混合，并以水合肼、碳酸铵等进行还原反应，制得了折叠石墨烯，其结构类似三维网孔结构石墨烯，且具有更好的结晶性和许多边缘褶皱，有利于电解质的浸润[75]。在扫描速度为1mV/s时，其比电容为195.4F/g，且在500mV/s的扫描速度下循环8 000次时电容保持率为93.9%，具有良好的循环特性。

刘道庆将氧化石墨烯和海藻酸钠进行静电搭接，而后进行炭化和活化过程制得均匀附着着活性炭颗粒的三维多孔石墨烯基复合材料，由于活性炭颗粒具有丰富的介孔结构，使得复合材料的理论比表面积可达2 979m2/g[73]；此外，他还通过采用KOH溶液作为媒介来还原氧化石墨烯，使得在还原过程中石墨烯片层发生定向的面面排布，并形成高密度的超微孔结构，这种高密度石墨烯在水系电解液中的体积比电容和能量密度可分别达508F/cm3和30W∙h/L。

赵琦先通过化学还原和真空抽滤的方法制得薄膜石墨烯，将其装配成超级电容后再采用光刻和刻蚀在rGO中引入规则的微米介孔阵列，该过程增大了整个rGO的无序度和晶格缺陷，并促进了电解液的层间渗流和浸润，使超级电容在20mV/s扫速下比电容由116.6F/g提高到136.3F/g，1A/g电流密度下由120.6F/g提高到146F/g[76]。

为石墨烯引入介孔结构或者改善石墨烯的空间结构能够为电解质离子提供更多的存储空间以及更短的传输路径，能有效提高其比电容。由于技术的限制，目前的研究多注重于引入介孔以及改善石墨烯空间结构前后石墨烯比电容值的变化，本文认为对于不同的电解介质来说如何找到并制造出合适大小的孔径以及合适的孔分布情况会是今后提高石墨烯双电层电容容量的关键研究点。

3.1.2 改善石墨烯片层的堆叠情况

在实际制备石墨烯的过程中，由于石墨烯片层间具有强烈的 - 键相互作用力和范德华力[77]，导致最终制得的石墨烯片层严重地团聚和堆叠，大大降低了其有效利用比表面积，因而比电容值也受到影响。

高涛通过水热法制得了氮化硼/rGO复合材料，该复合材料中经超声处理后的小尺寸氮化硼纳米颗粒像桥墩一样均匀分布在石墨烯的片层之间，形成一种垂直于集流体的机构，阻碍了片层的堆叠，有利于电解质离子的传递[75]。在扫描速度为10mV/s时，该复合材料比电容达230F/g，为原rGO比电容的1.7倍。

赵廷凯等通过化学气相沉积法在石墨烯表面原位复合碳纳米管，制得石墨烯/碳纳米管三维复合材料，该材料中石墨烯与碳纳米管形成三明治结构，在有效防止石墨烯片层团聚堆叠的同时，碳纳米管也为石墨烯片层提供电子和离子的传输通道[78]。该材料在1.5mol/L的LiSO4体系中最大比电容达289.8F/g，经2 000次循环后，容量仍保持92%。

由上述研究可知，目前主要通过在片层间插入其他材料来阻碍石墨烯片层的团聚堆叠，这能有效提高其比表面积利用率，并且为电解液离子进出石墨烯片层提供通畅的通道，从而获得较大的比电容。

3.2 与赝电容材料进行复合互补

在实际应用中，纯石墨烯虽然能制成具有一定电容量的双电层电容，并具有较高的功率密度，但若想获得具有更高比电容和能量密度的超级电容器，则要另寻他径。

赝电容材料作为一种化学储能的电极材料，一般具有高能量密度和高比电容的特点，但也因为在循环过程中的化学反应导致其具有循环寿命短且功率密度低等缺陷[76,79,80]。因此，将石墨烯和赝电容材料进行复合作为电极材料，可以兼备两者的优势，是未来的研究热点。

赝电容材料主要分为过渡金属化合物和导电聚合物两类。在过渡金属化合物方面，陈俊通过一步水热法制得(CoMn)(CoMn)2O4/rGO复合物，该复合物中rGO为金属氧化物颗粒提供了较多缺陷位置来促进其形核，使得氧化物晶粒尺寸更加细化，均匀附着生长在多孔rGO片层上，而晶粒的附着也反过来抑制了rGO片层的堆叠[81]。在1A/g电流密度下的碱性电解质环境中，该材料比电容可达509.7F/g，工作电压达1.6V，在0.2A/g电流密度下能量密度可达50.6W·h/kg。

杨晓彤通过水热法还原Ni(OH)2和RO的混合物，使得在还原的同时，Ni(OH)2生长在石墨烯表面，这有助于改善Ni(OH)2的导电性，由于生长位点的存在，同时改善了Ni(OH)2和石墨烯的团聚情况，制得Ni(OH)2/rGO复合材料[82]。该材料在200mA/g电流密度时比电容达1 200F/g；电流密度增大到5A/g时，循环1 000次后比电容保持率为80.4%；再增大到10A/g时，比电容为772F/g，能量密度为32W·h/kg，功率密度为2 723.5W/kg。

刘亭亭通过水热法制得MnOOH/石墨烯复合物，该复合物中石墨烯片层为MnOOH提供成核生长位点，使其均匀地呈纳米棒状生长在片层表面，在0.5A/g电流密度下比电容为267.7F/g，循环2 000次后保持率为99%，在4A/g电流密度下比电容为200.2F/g[83]。

张震在水热还原石墨烯的过程中，通过在泡沫镍表面原位生长出颗粒状的Ni3S2，并使其附着在石墨烯纳米片的表面制得N3S2/石墨烯复合材料，该材料在2A/g的电流密度下比电容为1 420F/g，在6A/g下循环2 000次后比容量保持在994.4F/g[80]。

严涛通过在无水乙醇中进行无碱水热法制得牡丹花状的Ni/Co-LDH@NiCo2S4@石墨烯复合材料，该材料中NiCo2S4呈纳米树叶状生长在石墨烯片层上，叶间的裂缝可储存电解液离子，Ni/Co-LDH微花生长在NiCo2S4纳米叶上，提供了丰富的电活性位点，复合材料整体结构严密而有序，其在1A/g电流密度下比电容达2 001.2F/g之高，循环3000次后保持率为97%，电流密度提高到8A/g时比电容仅衰减为1 645.6F/g[84]。

若将该材料置于K3Fe(CN)6/KOH水溶液电解液中，可展现出最高6 282.6F/g的超高比电容、484.3%的库仑效率和102.8W·h/kg的能量密度。

在导电聚合物方面，郝明通过水热还原制得了聚苯胺纳米柱吸附生长于rGO片层的复合材料4R-CPA/rGO，该材料在10mV/s的扫描速度下比电容为1 532F/g，而在电流密度为2A/g时，比电容为694F/g，500次循环后比电容保有率为92.5%[7]。

周晓等通过射线辐射还原制得易分散石墨烯，并将其和樟脑磺酸通过化学氧化聚合方法制得分级孔结构的石墨烯负载聚（1, 5-二氨基蒽醌）（GNS@PDAA）纳米复合材料[85]。该材料中PDAA以直径为20～40nm的颗粒形式牢固沉积在石墨烯表面，并且材料内部存在大量直径为10～30nm的介孔，因此具有良好电容性能。在0.5A/g电流密度时其比电容达398.7F/g，且循环20 000次后保持率为91.7%，电流密度提高到50A/g时保持率为71%。

赵晓婵以4A分子筛和GO凝胶进行混合超声分散，再取悬浮液烘干且煅烧后制得了4A/rGO复合材料，该材料中rGO包覆在呈立方晶体的4A表面，且4A均匀地穿插在rGO片层中，形成电解液离子可自由穿梭的三维空间导电网络，有效地改善了4A分子筛的导电性和rGO片层的堆叠[86]。当4A分子筛和GO凝胶比例为6∶1时，形成的复合材料在4A/g的电流密度下比电容达450F/g，且循环800次后保持率为85.7%。

通过上述研究可以看出，将石墨烯与两种不同的赝电容材料进行复合，所产生的效益是类似的，即充分利用石墨烯较大的比表面积为赝电容材料提供能固定生长形核的位点，有效地控制了赝电容材料的微观尺寸，并防止其在化学反应的过程中发生脱落，同时石墨烯的微孔结构和柔韧性能可以缓解赝电容材料在反应过程中的体积膨胀而形成的结构崩坏，此外石墨烯的加入还能提高复合材料的导电率。

反过来，由于赝电容材料的存在，也抑制了石墨烯片层的堆叠，有效提高石墨烯的比表面积利用率，并为电解液离子提供更好的传输通道。因此，将石墨烯和赝电容材料复合，不仅能兼顾两种材料的性能优势，也使得它们的结构优势有更好的发挥，成为理想的电极材料。

3.3 平面超级电容器

随着小型化、可穿戴式电子设备的发展，新型能源储存元件的需求变得更加迫切，因而如何更好地提高电极利用效率，使超级电容器功率密度变得更高成为关键，平面超级电容器也应运而生。

平面超级电容器和传统超级电容器的主要区别是它们的电极与集流体界面交汇情况的不同，彭旭等通过将MnO2纳米薄片复合到石墨烯片上而形成层层交叠的平面超级电容器，其在0.2A/g和10A/g的电流密度下比电容分别为267F/g和208F/g，循环7 000次后保持率为92%，并在1 000次全角度折叠和弯曲后还保持90%的比电容[70]。

祝伟光通过常压直流辉光放电等离子体增加化学气相沉积的方法，在泡沫镍表面原位生长出垂直石墨烯而制得超级电容器电极，有效降低了石墨烯和泡沫镍的接触电阻，垂直石墨烯大量的暴露边缘提供了更多的电荷传输点，减少了电荷的传输路径。该材料在电流密度为1A/g时比电容为175F/g，当电流密度增到100A/g时，比电容衰减为156F/g，即使电流密度增到超高的600A/g时，比电容仅衰减为130F/g，且功率密度达到超高的112.6kW/kg[77]。

徐芮通过层层交替旋涂GO水溶液后低温还原的方式得到rGO薄膜，从薄膜中间切割开后在两片薄膜的外侧溅射金膜作为集流体，最后涂抹胶质电解质得到平面超级电容器，该电容器在50mV/s的扫描速度时，面积比电容为344.89F/cm2，体积比电容为43.11F/cm3，能量密度为17.24mW∙h/cm3，展现出巨大潜力[87]。

传统的三明治结构石墨烯超级电容器的石墨烯和集流体处于相互平行状态，为保证不发生短路，电极间距离不能过小，但离子却要沿着垂直于集流体的方向传输，导致离子传输效率低下。

而石墨烯平面超级电容器中的石墨烯与集流体处于垂直状态，为离子提供更多传输位点的同时能有效地降低电容的厚度，因此极大地减短了离子的传输路径，离子可以充分地利用石墨烯的层间空隙进行快速传输，从而有效地提高了超级电容器的功率密度；此外，石墨烯与集流体间的垂直结构能很好地降低它们的接触电阻，并能在折叠弯曲的情况下更好地保证电容性能的发挥。

3.4 小结

电极材料是影响超级电容器比电容、能量密度、功率密度和循环性能的重要因素，而石墨烯超大的理论比表面积、高导电性和稳定性为超级电容器电极材料的发展提供了新的机遇和挑战。

为更好地利用石墨烯的比表面积，改善其形貌和片层堆叠是关键，但单纯地改善这些仅能为超级电容器提高一定的双电层电容容量，而将石墨烯与赝电容材料进行复合则能够使二者的物理结构进行有机结合，材料的性能优势也相得益彰。此外，改变传统超级电容器中石墨烯与集流体的平行结构，能够制造出功率密度更高、柔韧性能更好的平面超级电容器，使超级电容器向更加小型化、柔韧化发展。

4 晶体管

随着硅基集成电路的尺寸越来越逼近摩尔定律的极限，随之而来的短沟道效应和介质隧穿效应问题阻碍了其发展，使得迫切地需要寻找新型材料。石墨烯由于拥有极高的载流子迁移率、载流子迁移速度和导热率等性能，非常适合应用于晶体管的研究。本节将从数字逻辑电路和模拟电路两个方面介绍石墨烯晶体管的研究。

4.1 数字逻辑电路

本征石墨烯的能带隙为零，费米能级处于狄拉克点所在平面，表现为半金属性，因此当其作为晶体管沟道时难以实现夹断，且具有较高的关态泄漏和非饱和驱动电流，所以开关电流比很小，限制了其在数字逻辑电路上的应用[88]。因此如何打开石墨烯的能带隙，提高器件开关电流比是其在数字逻辑电路上应用的关注点，下面将介绍打开石墨烯能带隙的几种方法。

4.1.1 石墨烯纳米带

石墨烯纳米带（GrapheneNanoribbon, GNR）能打开能带隙的原理是量子限域效应和边界效应[89,90]。当GNR宽度d＜20nm时，才能获得meV级的能带隙，其与能带隙宽度Eg约呈反比关系即Eg≈0.8/d。并在5nm以下才能使电流开关比达到104～107[91]。

同时，纳米尺寸越小会使GNR的边界效应越明显，即边界裁剪深度、长度以及边界类型、边界平整性等都会影响能带隙宽度[90]。切割石墨烯纳米管是制备边缘齐整、尺寸可控GNR的一种有效方式，Jiao Liying等通过此法制得了15nm宽的能带隙宽200meV的GNR[92]。

此外，使石墨烯的缺陷功能化而制备的多孔石墨烯，其作用也类同制备GNR，相当于在孔间引入纳米带。虽然多孔石墨烯的载流子通路更加弯曲会导致载流子散射[93]，但其导通电流约比GNR大100倍[94]。一般可通过光刻法、化学气相沉积法等生成多孔石墨烯。

4.1.2 化学掺杂和化学改性

这两种都是通过化学手段为石墨烯引入能带隙。化学掺杂是通过向石墨烯中掺入适量的杂质原子，如氮原子、磷原子或硼原子等，使其置换石墨烯中部分碳原子，从而使石墨烯的费米能级移动到狄拉克点的上方或下方，打开其能带隙并表现出半导体的性质[95,96]。如P. A. Denis等在石墨烯中掺入3.13%质量分数的磷原子后，能够得到0.67eV的能带隙[97]。

化学改性是通过键作用、共价反应或者物理吸附等将一些气体分子或者芳香族及烷烃类有机化合物连接到石墨烯表面，从而引起载流子散射的增强，或者破环石墨烯的sp2杂化形成sp3杂化，以打开能带隙[90]。如D. Haberer等通过将石墨烯氢化，能够得到3.5eV的能带隙[98]。

4.1.3 对双层石墨烯施加电场

双层石墨烯本身也是零能带隙材料，但若对其施加纵向电场，其费米能级会产生变化，能带结构在狄拉克点处由抛物线型变为草帽型，从而打开其能带隙[99]。该法的优点在于可以避免因石墨烯的结构破坏而引入难以控制的缺陷，且能带隙宽度可以通过电场强度进行调节；缺点则在于其产生的能带隙宽度数值较小，且双层石墨烯结构中的载流子迁移能力比单层石墨烯要低。Zhang Yuanbo等研究得到当双层石墨烯外加电场强度为3V/nm时，其能带隙只能达到250meV[100]。

此外，双层石墨烯的层间距及片层结构的不同虽然不会直接影响到能带隙的打开，但是会对石墨烯在狄拉克点处的能带结构造成一定的影响[101]。

4.1.4 对石墨烯施加应力

通过向石墨烯施加非轴向应力来破坏石墨烯的晶格对称性，以此改变其能带结构，是打开其能带隙的一种方法[102]。该法的一个难点在于实际应用中的应力施加，目前一般采用应力转移法，即通过将石墨烯附着在其他柔性物上进行应力施加；另一个难点在于目前仍不清楚除非轴向应力外的应力，如双轴应力和局部应力等对石墨烯能带隙的影响。Ni等研究得到当石墨烯受到非轴向应力形变1%时，能带隙可达到300meV[103]。

4.1.5 小结

所有的打开能带隙的方式都是以牺牲石墨烯载流子迁移率为前提的，因为当能带隙被打开时，石墨烯的布里渊区狄拉克点处的能带结构会由线性色散型变成其他的如抛物线型或草帽型等，这都会增加载流子的有效质量，进而减小载流子迁移率[104]。目前本文认为对石墨烯进行化学掺杂和化学改性是最有潜力的研究点，而且这两种方法能与其他方法进行组合，继续研发更好的生产工艺，以达到平衡载流子迁移率和能带隙宽度的要求，进而获得更大的开关电流比。

4.2 模拟电路

模拟电路目前主要体现为射频电路，由于其内电子器件一直工作在开态，所以对电流开关比没有要求，不需要打开石墨烯能带隙，其器件主要性能指标是截止频率fT和最大振荡频率fMAX，这都与载流子迁移率密切相关。其公式为

式中，gm为跨导；CG为栅极电容；gD为沟道电导；RSD为漏源串联电阻；RG为栅极电阻。

因石墨烯有超高的载流子迁移率，且其二维结构能有效抑制短沟道效应，因此非常适用于模拟电路场效应晶体管中。研究表明[105,106]，通过同种生产工艺生产的顶栅结构的石墨烯晶体管比背栅结构的石墨烯晶体管具有更高的开关比和截止频率，因此，本小节将从影响顶栅结构的石墨烯场效应晶体管GFET在模拟电路中应用的几个方面进行介绍。

4.2.1 衬底的影响

影响石墨烯载流子迁移率的主要散射机制有石墨烯本征纵向散射、远程界面散射和带电杂质产生的库伦散射[107]，衬底对其影响为后两项。目前多采用的衬底SiO2，由于其带电杂质分布的随机性，库伦散射会使石墨烯产生非均匀分布的电子空穴区域，进而形成局部势垒而降低载流子迁移率；L. Banszerus等通过以表面平滑和电荷密度分布均匀的六方氮化硼为衬底制得的石墨烯场效应晶体管（Graphene Field Effect Transitior, GFET），其载流子迁移率在T=1.8K时能达到3×106cm2/(V∙s)[108]。

而为了研究远程界面散射的影响，K. I. Bolotin等将石墨烯悬浮在SiO2衬底上，此结构的石墨烯载流子迁移率大于2×105cm2/(V∙s)，比没有悬浮的石墨烯的3×104cm2/(V∙s)迁移率高一个数量级[1]。

4.2.2 顶栅介质层的影响

顶栅介质层对GFET的主要影响是其沉积过程会给石墨烯带来各种不同程度的晶格缺陷，导致器件的载流子迁移率降低，进而影响器件性能。改善顶栅介质层对石墨烯的影响主要是通过改良制备工艺，优化石墨烯与衬底的接触。

目前常用的工艺是原子层沉积，但石墨烯表面的惰性会造成介质层较疏松[109]；Liao Lei等通过自对准技术精确地在石墨烯表面生成电极，减少了沉积缺陷，使器件截止频率达300GHz[110]；杨乐陶通过热蒸发法制备了低损伤的氧化硅顶栅介质层，该法仅稍微降低GFET的电流，并不影响载流子迁移率[111]。

4.2.3 顶栅电压的影响

顶栅电压VGS对石墨烯的主要影响是改变其费米能级位置，在GFET电流最小时石墨烯费米能级位于狄拉克点，将此时的栅压称为狄拉克点栅压VGS,Dirac。当VGS＞VGS,Dirac时，费米能级位置高于狄拉克点，石墨烯中多数载流子为电子，即为n型导电；反之则费米能级位置低于狄拉克点，

石墨烯为p型导电，多数载流子为空穴，因此也将GFET归为双极性场效应晶体管[88]。也有研究[112]表明，在对石墨烯进行扫描时，随着栅压增大和栅压持续时间的增大，会使衬底注入电子越多，VGS,Dirac也会越大。

4.2.4 金属电极的影响

在模拟电路中，金属电极对石墨烯的影响主要为两方面：一方面是由载流子在它们交界面散射而形成的接触电阻的影响；另一方面是源漏电流带来的电荷转移而导致的石墨烯掺杂的影响。

电极接触电阻对GFET的影响较大，且受很多因素影响，目前对其研究的主要方面有制备金属电极的工艺、源漏电极材料的选择、电极尺寸的大小、接触类型等。

其中，①制备金属电极的工艺的影响是因为在沉积电极过程中对石墨烯造成晶格缺陷，而增加了载流子的散射几率，进而导致载流子迁移率降低[113]；此外，完成沉积过程后金属与石墨烯的接触面积也会造成影响；目前常用的制备方法有电子束蒸发法、热蒸发法和溅射法等。

②源漏电极材料与石墨烯产生的接触电阻大小与它们之间的功函数差无关[114]，仅与材料种类有关，研究表明Cr/Au和Ti/Au的电极接触电阻较高，在103～106Ω·μm之间，而Ni的接触电阻较低，仅数百Ω·μm[115]。

③电极尺寸大小的研究[114]表明金属和石墨烯在整个接触面并非载流子流通率一致，载流子主要通过它们的接触面边缘流过，因此电极尺寸的接触电阻大小取决于其线宽度。

④石墨与电极材料的接触类型主要有两种：一种是通过石墨烯边界的悬挂键与金属接触；另一种是通过石墨烯上下表面与金属通过键以及静电吸附进行接触，研究表明前者的接触电阻比后者小得多，并根据材料的不同有不同的倍率关系[116]。

当电流从源极流向漏极时，电子和空穴会分别聚集在两极，引起石墨烯不同程度的p或n型掺杂，形成非对称接触势垒，该势垒来源于功函数的失配，其引起的净电荷积累会造成石墨烯在相同载流子浓度时对电子和空穴的电流传导的不对称性[117]，这种不对称性与源漏之间的电流大小和极性有关系，并且是可逆、可调的，最终会反过来影响电流的大小。

目前研究得到该接触势垒大小与石墨烯缺陷、分子吸附、电子束光刻胶残留等有关，柴正提出一种超声清洗的方法来解决残胶问题[104]。陈卫基于源漏电流影响的效应提出一种面内石墨烯场效应晶体管设计，该晶体管共有处于同一平面内的四个电极，其中两个为源极和漏极，另外两个电极则作为调控石墨烯的载流子浓度和极性而使用[101]。

4.2.5 小结

由式（1）和式（2）可以看出，器件电容、电阻对fT和fMAX的影响主要在于载流子迁移率方面。器件衬底作为载体，将影响整个GFET的性能；而GFET内部由栅极覆盖部分受到顶栅介质层的影响，并且其电阻可由顶栅电压调控；未受电极覆盖部分电阻主要受沟道长度以及石墨烯制作工艺的影响，目前主要通过自对准技术减轻该方面影响[110,118]；其余是源漏电极与石墨烯的接触部分，减少其接触电阻和利用好电流掺杂效应有助于GFET载流子迁移率的提高。

所以，模拟电路GFET下一步的研究点主要在选择合适的衬底和顶栅介质、降低电极接触电阻和利用好接触势垒等。目前，中国电科十三所石墨烯团队采用预沉积金属保护层技术和低损伤自对准技术已研制出fMAX达137GHz，fT达407GHz的GFET[118]。

5 电磁屏蔽

电磁屏蔽是通过屏蔽体对电磁波进行衰减的措施，分为反射损耗、吸收损耗和多重反射损耗三部分来实现[119]。随着现代技术的发展，人们对屏蔽体的要求除更好的电磁波衰减率以外，对其便携性能也更加关注，因此传统的电磁屏蔽材料如金属材料和聚合物材料已经难以满足这个需求。

石墨烯因具有超高的电导率、较大的有效反射面积和柔韧轻便等特点，能有效增加电磁屏蔽中的反射损耗和吸收损耗，所以在电磁屏蔽领域也倍受关注。本节将分别介绍石墨烯与两种传统电磁屏蔽材料的复合制备以及性能改良情况。

5.1 与金属材料的复合

金属材料因对电磁波具有良好的介电损耗和磁损耗而一直被广泛用于电磁屏蔽领域，但其密度大、易腐蚀和难加工等问题也越来越突出[120]，石墨烯与该类材料复合能有效改善其质量问题并增加其化学惰性，为其在柔性材料、水性涂料的应用方面提供了可能。目前主要制备方法有水热法、溶剂热法、共沉淀法等。

王燕枫通过一步水热法制得纳米钴铁氧体/石墨烯复合材料，石墨烯含量为16.7%，厚度为2mm时，反射损耗峰值为7.04dB，反射损耗在6dB以下的频宽为3.4GHz；若进一步将复合材料作为填料加入水性丙烯酸酯制备水性电磁屏蔽涂料，当填料含量为20%时，涂抹一层反射效能约为3.8dB，涂抹两层约为4.54dB[121]。Zhang等通过水热法制得石墨烯/CdS复合材料，并让CdS嵌于石墨烯片层中，该材料厚度为3.3mm时，反射损耗在9.95GHz有峰值为48.4dB，反射损耗在10dB以下的频宽为6GHz[122]。

Xu H.等通过溶剂热法制得石墨烯/Fe3O4复合材料，并使Fe3O4为空心半球状，当Fe3O4质量分数为30%且厚度为2mm时，反射损耗在12.9GHz有峰值为24dB，反射损耗在10dB以下的频宽为4.9GHz[123]。吴佳明通过溶剂热法制得rGO/Fe3O4复合材料，并使Fe3O4稳定地附着在rGO表面，该材料厚度为3mm时，反射损耗在12.09GHz且峰值为22.7dB，有效吸收带宽为3.2GHz[124]。

Gupta等通过共沉淀法制得石墨烯/MnO2复合材料，材料厚度为5mm时最大反射损耗为40.36dB[125]。李国显等通过液相共沉积法制得石墨烯/纳米Ni粒子复合材料，该材料厚度为2mm时，反射损耗在16.3GHz有峰值为34.4dB，反射损耗在10dB以下的频宽为3.9GHz[126]。

5.2 与聚合物材料的复合

因聚合物材料具有分子结构灵活多变、易加工、难腐蚀等特点，使得寻找合适其的电磁屏蔽填充材料也成为该领域的研究热点[127]，但聚合物材料一般导电性能较差，从而影响其在该领域的使用，而石墨烯超高的导电率使得其成为聚合物的优秀填充物。目前主要的复合方法有溶液共混法、熔融共混法、原位聚合法等。

S. T. Hsiao等通过溶液共混法制得阳离子改性的石墨烯与电负性水性聚氨酯的复合材料，该材料依靠静电作用使片层不易团聚而增强其电磁屏蔽性能，复合材料的导电率为5.1S/m，电磁屏蔽效能为32dB[128]。廖勇飞通过溶液共混法制得聚碳酸酯/石墨烯复合材料，然后加入碳纳米管进行发泡，该材料导电率为9.7S/m，电磁屏蔽效能为18dB，并且拥有尺寸小、密度大且分布均匀的泡孔，更加轻便和坚韧[129]。

Zhang Haobin等通过熔融共混法制得石墨烯/聚甲基丙烯酸甲酯复合材料，并利用二氧化碳进行发泡，当石墨烯体积分数为1.8%，厚度为2.4mm时，该材料在8.2～12.4GHz的X波段的反射损耗在13～19dB之间，石墨烯的加入和发泡过程增强了其对电磁波的吸收损耗，并使其更加轻便[130]。

Yan Dinxiang等通过原位聚合法制得rGO/聚乙烯基复合材料，当rGO的填充量仅为0.66%时，厚度为2.5mm的该材料电磁屏蔽效能就能达到32.4dB[131]；他们还通过原位聚合法制得rGO/聚苯乙烯复合材料，rGO填充量为3.47%且厚度为2.5mm时，电磁屏蔽效能达到45.1dB[132]。

陈若凡通过真空辅助灌注的工艺将聚二甲基硅氧烷PDMS与石墨烯海绵进行复合，该材料电导率可达103S/m，在2mm厚度时平均电磁屏蔽性能可达54.2dB，主要以吸收损耗为主；并且复合材料弹性模量和拉伸强度分别可达纯PDMS的6.9倍和1.69倍[133]。Zhao Biao等通过溶剂浇铸法制得聚偏氟乙烯/CNT/石墨烯复合材料，仅0.1mm厚度时就有27.58dB的电磁屏蔽性能，增大到0.25mm时可达36.46dB[134]。

可以看出，在聚合物材料中加入石墨烯作为填充物，可以有效增加复合材料的柔韧性、轻便性和导电性，而因其导电率的提高，可以使电荷得到更好的疏通，因而提高复合材料的电磁屏蔽吸收损耗。

5.3 小结

石墨烯是一种电阻型电磁屏蔽材料，在电磁屏蔽领域对金属材料的作用主要是改变其密度和柔韧性，对聚合物材料的作用主要是增加其导电率。石墨烯与金属材料的复合方法的研究点在于对金属材料纳米颗粒形态以及两者结合方式的控制，而与聚合物材料的复合方式的研究点在于石墨烯填充材料在聚合物内部的分布情况以及两者的结合方式的控制。

此外，为了获得更加优秀的电磁屏蔽材料，研究者们逐渐开始对三者的复合物进行研究[124,135-139]，这也是未来的主要研究方向。

6 结论

石墨烯作为一种拥有众多优异性能的新型材料，在电气领域的若干分支领域都成为了研究和应用的热点，本文就其在锂离子电池、超级电容器、晶体管以及电磁屏蔽等领域的应用机理、研究现状以及未来的研究方向等进行了综述。

总的来说，进一步优化生产工艺，改善石墨烯及其复合材料的纳米结构，完善其作用机理是石墨烯在电气行业得到更好应用的前进之道。

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