近年來，在國家政策的推動下，我國一線乃至二三線城市迎來了軌道交通建設的熱潮。據統計，目前中國已有至少45個城市申報建設城市軌道交通項目，其中39座城市獲批，共有20個城市開通并已經運行城市軌道交通。全球軌道交通的產值也從2010年的1 310億歐元增長到2013年的1 620億歐元，預計到2018年，將突破1 900億歐元（圖1）。

    城市軌道交通的發展，使得作為新型軌道交通儲能裝備的超級電容，獲得更進一步發展的契機。超級電容應用在軌道交通系統中，起到制動能量回收和穩定電壓的作用。在城市軌道車輛的能耗中，牽引能耗占比達90%，車輛輔助設備能耗占比10%。如果合理安排車輛運行，利用超級電容等能量管理設備，消耗的電能就可以在車輛制動時反饋回供電系統，用于供給正在行駛的車輛使用。除此之外，軌道車輛在啟動和制動時會有電壓波動，采用合理的能量管理設備，可以平滑電網電壓的波動，從而提高供電的質量。
    一般情況，城市軌道車輛設計使用壽命為30年，大約是普通公交車輛使用壽命的3倍，軌道車輛的運載量也更大，對其安全性也有更高的要求。超級電容與其他電化學儲能器件相比有更長的循環充放電壽命，安全穩定性也更高，這些優勢正好可以滿足它在城市軌道車輛中應用。雖然超級電容的高功率、高循環充放電壽命和高安全性滿足了它在軌道交通中的應用要求，但是隨著需求的提高，高能量密度也是應用在軌道交通超級電容的一個重要發展方向。
    從根本上提高超級電容的性能，需要從材料入手。石墨烯是由碳原子以sp2雜化軌道組成的六邊形二維材料，由于它的高強度、高導熱導電性和高比表面積，被認為是可以提升超級電容性能的理想材料。它在結構上屬于獨立存在的單層石墨晶體，故片層的2側均可以吸附電荷形成雙電層。且片層所特有的褶皺以及疊加效果，可以形成納米孔道和納米空穴，有利于電解液中離子的擴散，從而提高它的功率密度。石墨烯具有完全敞開雙表面的結構特性，它可以類似不飽和有機分子，進行一系列有機反應，如與贗電容材料復合，改善贗電容材料普遍存在的機械性能差和較低的導電導熱性等問題。另外，如果對石墨烯進行官能團修飾可以使其具有更豐富的化學活性。
    二、全球石墨烯超級電容技術研發現狀
    1. 石墨烯超級電容器的專利分析

    截至2015年，全球石墨烯在超級電容領域的專利申請量為730件，其中發明專利申請量為706件，實用新型專利申請量為24件。專利法律分別處于有效、審中和失效的專利占比分別為26.48%、64.97%和8.55%。圖2所示為石墨烯在超級電容領域的專利申請趨勢，從圖中可以看出石墨烯在超級電容領域的研究成為近年來研究熱點。
    2. 石墨烯超級電容電極材料研究現狀
    目前，研究人員對石墨烯基電容電極材料已經進行了廣泛的研究，目的是使超級電容器實現更高的容量和功率密度。石墨烯具有較高的理論比電容（550F / g）。以石墨烯基材料為電極的對稱超級電容在文獻中多被報道，這些石墨烯大多經過活化或摻雜。有研究顯示基于石墨烯材料的對稱超級電容在水系和有機電解液中的比電容分別可以達到135F / g和99F / g。
    這些結果遠遠低于理論值（550F / g），只是因為石墨烯在形成宏觀聚集體過程中，片層之間互相雜亂疊加，使得形成有效雙電層的面積減少（化學法制備的石墨烯比表面積一般達到200 ～1 200m2/ g）。如果可以將其表面完全釋放，將獲得高于大多數多孔炭的比電容，這也是研究人員一直努力的方向。因此，石墨烯與其他材料復合、改性以提高其性能成為研究的熱點。大部分改性后的電極材料，相對碳材料有相對較窄的工作電勢范圍，對稱電極的設計會暴露其低工作電壓的缺陷。
    通常來講，非對稱超級電容有更高的工作電壓和能量功率密度。從材料的角度來看，基于石墨烯的非對稱超級電容的正極材料包括氧化錳、氧化鈷、氧化釕、聚苯胺、聚吡咯，純石墨烯、以及石墨烯與上述材料的復合物；負極材料包括石墨烯，多孔石墨烯，石墨纖維，石墨烯薄膜、石墨/碳納米管和石墨烯金屬氧化物復合物氧化物等。表1總結了目前基于石墨烯材料的非對稱超級電容的研究進展，比較了不同石墨烯基非對稱超級電容的性能。

    從表1的石墨烯非對稱超級電容的電極材料看，在二維石墨烯中引入其他維度的碳材料構建3D碳基材料，是普遍采用的阻止石墨烯片積聚的方法，這樣可以保持其高比表面積、高離子和電子導電性，其特殊的3D結構可以為離子傳輸和電子傳遞提供通道。另外，引入納米級的贗電容材料，如果導電聚合物金屬氧化物等，復合成高導電性的多孔電極材料，給離子傳遞提供通道，提高贗電容材料的導電率和機械強度，避免了充放電過程中離子反復插脫導致的贗電容材料坍塌，提高電化學穩定性，獲更高能量密度與功率密度。
    表1顯示，石墨烯氧化錳復合物為正極材料，石墨烯或改性的石墨烯復合材料為負極，非對稱電容器有相對較高的工作電壓和功率能量密度。聚合物與石墨烯的復合物做正極，石墨烯做負極的非對稱電容器，利用有機溶液作為電解液，其工作電壓可以進一步提高到4V，遠高于現在商業化超級電容的工作電壓（2.7V）。
    3. 我國石墨烯超級電容器的產業發展現狀
    基于這幾年對石墨烯超級電容電極材料的研究，我國的石墨烯超級電容也漸漸走向了產業化。2015年，我國寧波中車新能源科技有限公司，自主研制的含有石墨烯基電極材料的超級電容問世，他們的3V/12 000F石墨烯活性炭復合電極超級電容和2.8V/30 000F石墨烯納米混合型超級電容，達到了目前世界超級電容單體技術的較高水平。另外，2016年9月28日，常州立方能源技術有限公司宣布他們研發的石墨烯基超級電容取得重大突破，具備環保、安全、長充放電循環壽命和抗低溫等功能，該電容器也即將批量投產。
    4. 石墨烯基超級電容器材料存在的問題
    雖然石墨烯基超級電容已經有了產業化發展的開端，但是存在的一些問題仍然阻礙它大規模地量產，并應用在下游領域中。高質量高性能并且可以很好的應用在電極材料中的石墨烯仍然價格較高。工業化方面，控制復合材料的結構，達到更高的電容性能仍然是個難題，再有，因為復合物的顆粒尺寸更大，涂布的電極很難達到均勻一致，大大降低了電容器的性能。
    石墨烯基超級電容在軌道交通中應用，需要更寬的溫度工作范圍以應對我國不同地區和不同氣候下使用。面對這些問題，電容器電極材料的合成需要更可控，上游石墨烯制備產業需要更加成熟完善等。
    三、小結
    石墨烯基超級電容在軌道交通中應用，是超級電容在我國未來發展的一個方向。我國石墨烯基復合材料作為超級電容的電極，已經成為研究的熱點，很多成果已經發表。但產業化的研究有些滯后，原因可能是上游石墨烯產業尚未完全成熟。產業化方面，石墨烯基復合材料合成本身也存在技術難題，例如控制材料的結構，性能等方面都有待進一步的研究。相信石墨烯基超級電容的進一步研究，將會推動其在軌道交通中的應用，并為石墨烯下游應用打開新的領域。