為了滿足日益增長(zhǎng)的對(duì)電子產(chǎn)品小型化、多樣性和可變性的需求,柔性可穿戴的便攜式電子產(chǎn)品成為未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。近年來(lái),可卷繞式顯示屏的問(wèn)世及電子襯衫和卷屏手機(jī)等柔性電子產(chǎn)品概念的提出，引發(fā)了科研工作者對(duì)柔性電子技術(shù)的研究熱潮。柔性電子技術(shù)即將帶來(lái)新一輪電子技術(shù)革命,并將對(duì)社會(huì)生活方式及習(xí)慣產(chǎn)生革命性影響。柔性電化學(xué)儲(chǔ)能材料不僅需要承受電池、電容器材料自身在電化學(xué)過(guò)程中引起的體積變化,同時(shí)還需要器件在機(jī)械變形條件下也能夠正常工作。

電池材料發(fā)展現(xiàn)狀

柔性鋰離子電池是鋰離子電池領(lǐng)域的新興研究方向之一,目前仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。發(fā)展柔性鋰離子電池的主要困難在于如何獲得高性能的柔性電極極片。

石墨烯也具有很高的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率、優(yōu)異的電化學(xué)性能以及易功能化的表面,同時(shí)容易加工形成柔性薄膜。因此,石墨烯被認(rèn)為是一種極具潛力的先進(jìn)柔性電化學(xué)儲(chǔ)能材料。石墨烯在可彎折柔性鋰離子電池中的應(yīng)用主要包括2個(gè)方面:

石墨烯作為導(dǎo)電增強(qiáng)相,借助高分子、紙、紡織布提供柔性骨架,以提高柔性極片的電子導(dǎo)電特性,獲得復(fù)合導(dǎo)電基體,并擔(dān)載活性物質(zhì);

石墨烯或其復(fù)合材料直接作為柔性基體或柔性電極。石墨烯/柔性基體復(fù)合結(jié)構(gòu)

石墨烯具有很高的電子電導(dǎo)率,可采用噴涂、浸潤(rùn)、涂覆等不同方法,將石墨烯附著于各類(lèi)柔性基底上,利用基底提供柔性支撐,提供力學(xué)性能,石墨烯提供導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),形成了石墨烯/柔性基體復(fù)合結(jié)構(gòu)。常見(jiàn)的基體材料,如高分子、紙、紡織布等,都可制備這種類(lèi)型的電極。

Cheng研究組利用大孔徑和高孔隙率的濾紙作為過(guò)濾介質(zhì),采用真空抽濾法,以石墨烯分散液作為濾液,得到了石墨烯/纖維素復(fù)合紙。在抽濾過(guò)程中,石墨烯進(jìn)入濾紙內(nèi)部,受纖維素纖維的毛細(xì)作用力和表面官能團(tuán)的共同作用而牢固結(jié)合在其表面,并且繼續(xù)沉積填充在由纖維素纖維構(gòu)成的三維網(wǎng)狀孔隙內(nèi),最終形成一種具有石墨烯和纖維素雙相三維交織結(jié)構(gòu)的石墨烯/纖維素復(fù)合結(jié)構(gòu)。在這種雙相三維交織結(jié)構(gòu)中,纖維素纖維作為柔性三維骨架,為復(fù)合結(jié)構(gòu)提供了良好的力學(xué)性能和離子傳輸通道。

石墨烯薄膜及復(fù)合材料的柔性基體

為了提高活性物質(zhì)在柔性電極中的比例,石墨烯薄膜也可直接充當(dāng)負(fù)極使用。采用真空抽濾等方法,已可大量制備石墨烯薄膜。另一方面,石墨烯具有特殊的二維層狀結(jié)構(gòu)和豐富的表面官能團(tuán),也使得石墨烯薄膜具有高的可彎折和力學(xué)特性。

石墨烯柔性電極的性能表征

電化學(xué)測(cè)試主要包括半電池的電化學(xué)性能和動(dòng)態(tài)條件下的全電池電化學(xué)性能測(cè)試等.目前大部分柔性電極都是組裝成紐扣式半電池進(jìn)行電化學(xué)性能的研究,同時(shí)在靜態(tài)條件下對(duì)其拉伸、剪切、彎折強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。

Ruoff研究組詳細(xì)研究了GO薄膜的制作及拉伸、彎曲等力學(xué)行為。

Kim等人用氣相化學(xué)沉積法制備了高品質(zhì)石墨烯薄膜,將石墨烯轉(zhuǎn)移到PET基底上并包覆一層聚二甲基硅氧烷(PDMS)進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試,Cheng研究組對(duì)石墨烯薄膜及石墨烯/纖維素復(fù)合紙進(jìn)行了拉伸測(cè)試和反復(fù)彎折的實(shí)驗(yàn)。Cheng研究組用泡沫Ni模板定向化學(xué)氣相沉積制備了三維石墨烯泡沫,互連的網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)使其具有高的比表面積、高電導(dǎo)率和柔性。因石墨烯泡沫內(nèi)存在褶皺和波紋。

發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)

綜上所述,柔性仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段,目前主要集中在可彎折的柔性鋰離子電池領(lǐng)域。得益于良好的二維結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性,石墨烯有望作為柔性電極的核心材料得到廣泛應(yīng)用。盡管如此,柔性電池仍然處于發(fā)展的初期,距離實(shí)際使用仍有相當(dāng)長(zhǎng)的距離。針對(duì)石墨烯柔性電極存在的主要問(wèn)題,未來(lái)的發(fā)展方向可能會(huì)集中在以下幾個(gè)方面:

柔性電極的力學(xué)性能增強(qiáng)及高可變形性，提高現(xiàn)有石墨烯復(fù)合柔性電極拉伸強(qiáng)度和抗彎折性能，解決方案可能將集中在：與碳納米管復(fù)合、與聚合物或柔性基體復(fù)合、采用新型的電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

具有自我修復(fù)能力的柔性電池;

快速充電能力的提高;

柔性電極制備新工藝的開(kāi)發(fā);

柔性鋰離子電池器件組裝及設(shè)計(jì)。

目前存在的問(wèn)題主要包括:

(1)電解質(zhì)的優(yōu)化改進(jìn);(2)柔性封裝材料的發(fā)展;(3)極耳與石墨烯柔性極片的連接。極耳是鋰離子電池極片與外電路連接的重要組成部分,傳統(tǒng)鋰離子電池中一般采用金屬鋁和鎳作為極耳。由于柔性鋰離子電池一般采用碳基極片。

總結(jié)

隨著柔性電子產(chǎn)品的發(fā)展,柔性鋰離子電池作為其關(guān)鍵部件之一也備受矚目。盡管近年來(lái),柔性鋰離子電池用電極材料制備技術(shù)已經(jīng)取得了巨大進(jìn)展,但柔性鋰離子電池的性能仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到傳統(tǒng)鋰離子電池的水平,遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。得益于良好的二維結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性,石墨烯有望作為柔性電極的核心材料得到廣泛應(yīng)用石墨烯薄膜直接作為柔性基體能夠降低電極的質(zhì)量,提高電池的整體能量密度,因此將具有更廣闊的發(fā)展前景。