中國粉體網(wǎng)訊 可折疊、可穿戴電子設(shè)備日益受到人們關(guān)注，開發(fā)與之配套的柔性電極材料成為當下的研究熱點。與這類產(chǎn)品配套的儲能器件必須具備體積小、重量輕、柔性等特點。探索新型高比容量、環(huán)境友好和低成本的柔性鋰離子電池對于未來便攜式電子設(shè)備的發(fā)展具有重要意義。
圖片來源：pixabay
柔性鋰離子電池的關(guān)鍵在于柔性電極材料。制備柔性可彎曲電極材料是實現(xiàn)柔性鋰離子電池技術(shù)的前提，其中，柔性負極材料對柔性鋰離子電池性能起到重要作用。
目前研究較多的柔性負極材料有石墨烯、碳納米管、納米炭纖維、高分子導(dǎo)電聚合物、炭布等。
石墨烯柔性負極材料
石墨烯是近年來備受關(guān)注的2D層狀碳材料，在眾多領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。相比于其它碳材料，石墨烯是由單片層厚度的碳原子無序松散聚集形成，這種結(jié)構(gòu)有利于Li+的嵌入，在片層和邊緣都能儲存Li+，因此理論容量明顯高于石墨。
石墨烯可以通過多種方式加工成膜，表面易官能團化，大比表面積可承載大量活性物質(zhì)，具有高的電子導(dǎo)電率。良好的熱導(dǎo)率、化學(xué)性能穩(wěn)定、柔韌性強等優(yōu)勢使得石墨烯非常適合用來制備鋰離子電池柔性負極。但石墨烯的缺點也很明顯，比如單層石墨烯片層極易堆積，比表面積的減少使其喪失了部分高儲鋰空間；首次庫倫效率低；初期容量衰減快等。因此，它必須要和具有高容量的無機活性物質(zhì)聯(lián)合使用。
碳納米管柔性負極材料
碳納米管由于其高的電導(dǎo)率、良好的機械性能及高的比表面積，被作為鋰離子電池柔性負極的基體和活性物質(zhì)做了大量研究。碳納米管可以很容易通過各種方法組裝成膜，例如真空抽濾、自組裝、干拉伸法、刮刀涂布法等。早期研究中，先將碳納米管與其他活性物質(zhì)混合制備成懸浮液，然后直接過濾成膜或沉積在電池隔膜上作為鋰離子電池柔性負極，研究表明，其具有較高的嵌鋰容量。但這種方法得到的活性物質(zhì)往往出現(xiàn)鋰嵌入后難于脫嵌的問題。為了克服此種缺陷，人們首先通過各種物理或化學(xué)的方法將高容量的活性物質(zhì)生長在碳納米管上，然后再進行成膜。
采用碳納米管網(wǎng)絡(luò)體系制備柔性負極有以下幾個明顯的優(yōu)勢：高的表面積和化學(xué)穩(wěn)定性保證了電極結(jié)構(gòu)在循環(huán)過程中的完整性；好的導(dǎo)電性增強了負極的電化學(xué)反應(yīng)能力；好的柔韌性抑制了電極材料的體積變化。但是，對于碳納米管基負極，還需要在碳納米管上引入適量的具有高容量的活性物質(zhì)，這樣才能使碳納米管負極具有高的電容量和導(dǎo)電性。
納米炭纖維柔性負極材料
納米炭纖維具有好的導(dǎo)電性、優(yōu)良的機械性能、低密度等優(yōu)點，可以制作自支撐的可折疊柔性負極，結(jié)合靜電紡絲和高溫炭化技術(shù)的工藝目前被證明是制備納米炭纖維最有效的方法。但納米炭纖維低的理論容量限制了它在柔性電池中的應(yīng)用。
為了提高柔性負極的電化學(xué)性能，人們對納米炭纖維做了一系列的改性研究�？梢酝ㄟ^制備高儲鋰容量活性物質(zhì)/納米炭纖維復(fù)合材料來提高其電化學(xué)性能。在這些復(fù)合材料中，納米炭纖維良好的機械性能能夠緩解高活性物質(zhì)在充放電循環(huán)過程中的體積變化。此外，也可制備具有獨特3D孔結(jié)構(gòu)的多孔納米炭纖維從而獲得優(yōu)良的電化學(xué)性能。還可以在納米炭纖維上沉積氮元素，提高其電化學(xué)性能。
高分子導(dǎo)電聚合物柔性負極材料
具有良好導(dǎo)電性和電化學(xué)性能的高分子聚合物也常作為柔性電池的電極材料。目前，用于柔性電池電極材料的導(dǎo)電聚合物有聚吡咯（PPy）、聚苯胺（PANI）、聚噻吩（PTH）、聚丙烯晴（PAN）及聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等。其中，本身含有氮原子（N）的PPy不僅擁有良好的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性，而且由于諸多空位和缺陷的存在，能使其具有優(yōu)異的存儲性能。PPy具有牢固的3D交聯(lián)結(jié)構(gòu)，當其作為基體材料時，能展現(xiàn)出較為優(yōu)異的柔韌性，多次彎折也不易破壞原有結(jié)構(gòu)。
炭布柔性負極材料
炭布具有優(yōu)良的耐腐蝕性、突出的機械柔韌性和抗拉強度、高的導(dǎo)電率，且成本低，因此也可作為柔性鋰離子電池負極的基體材料。此外，炭布具有三維的多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，便于電解液滲透到電極材料中去。但炭布本身的儲鋰容量較低，在炭布上沉積、生長或者包覆高容量的活性材料是解決這一不足的有效方法。在炭布上生長納米活性物質(zhì)，最常用的方法是水熱法。有研究者利用水熱法在炭布上生長出了ZnCo2O4納米線陣列，得到了三維的ZnCo2O4納米線陣列/炭布復(fù)合材料，以該材料作為柔性鋰離子電池負極，顯示出了較高的可逆容量，在200mA/g的電流密度下循環(huán)160周后，仍然有1200mAh/g的比容量。
其他柔性負極材料
除了以上幾類柔性材料外，還有炭纖維織物、炭紙、膨脹石墨紙、石墨紙、泡沫炭也可用來作為柔性負極的集流體，它們質(zhì)量輕且柔韌性好。另外，也有完全由納米活性物質(zhì)構(gòu)成的柔性負極，如3D網(wǎng)狀Li4Ti5O12納米結(jié)構(gòu)負極材料，夾層式CNx/CuO/CNx納米結(jié)構(gòu)負極材料，目前這些負極活性物質(zhì)所占的質(zhì)量比得到大幅提升，但這類負極材料的電子導(dǎo)電率較低。因此，對于這類柔性負極材料，提高其電子導(dǎo)電率和降低其成本是將來的研究方向。
參考來源：
1、望軍等.柔性鋰離子電池負極材料研究進展
2、阮佳鋒.高性能柔性碳基負極材料設(shè)計及性能研究
3、望軍等.鋰離子電池CoO多孔納米片陣列/碳布柔性負極材料
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/文正）
注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權(quán)告知刪除！
