碳基柔性電極材料及其柔性儲(chǔ)能電源

劉 瑩，任曉辰

(天津大學(xué)理學(xué)院天津市分子光電科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

隨著新型儲(chǔ)能設(shè)備的不斷發(fā)展，對(duì)電源的多樣化、個(gè)性化需求日益增加。在一定范圍內(nèi)發(fā)生彎曲、折疊、扭轉(zhuǎn)、壓縮或拉伸等形變?nèi)钥烧９ぷ鞯娜嵝詢?chǔ)能設(shè)備為人類(lèi)發(fā)展提供了更多可能。可穿戴電子設(shè)備、可植入醫(yī)療器械、可彎曲顯示器等均需柔性儲(chǔ)能電源為其供能。就電池而言，目前工業(yè)中生產(chǎn)的絕大多數(shù)為剛性電池，為研制并實(shí)現(xiàn)柔性電池的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，必須在柔性電極、新型電解質(zhì)、新型制造技術(shù)和封裝技術(shù)方面持續(xù)創(chuàng)新[1]。其中，常見(jiàn)柔性電極材料包括碳基、金屬基及聚合物基電極材料。本文就柔性電池中的碳基電極材料發(fā)展情況及其在柔性儲(chǔ)能電源中的應(yīng)用進(jìn)行綜述。

1 柔性電極材料

電極作為引流或活性材料的載體，是電池的重要組成部分，因此制備擁有良好拉伸性能及高載荷活性材料的可拉伸電極至關(guān)重要。制備柔性電極的常用方法是直接將含有活性材料、碳和粘合劑的電極漿液涂覆在塑料、紡織物或紙等柔性基底上[2]。這種方法雖然簡(jiǎn)單高效，但是大量惰性成分的使用不可避免地降低了器件活性材料的容積和質(zhì)量比能量。另一種實(shí)現(xiàn)柔性電極的通用方法是通過(guò)過(guò)濾含有納米活性材料和碳納米管或石墨烯的溶液，使納米復(fù)合薄膜具備柔性性能[2]。這種復(fù)合薄膜中的活性材料用來(lái)提供充電容量，碳納米管或石墨烯提供電導(dǎo)率和機(jī)械強(qiáng)度方面的支撐。

2 柔性碳基電極材料

碳材料因?qū)щ姾蛯?dǎo)熱性好、耐高溫、機(jī)械強(qiáng)度高、耐腐蝕性好等優(yōu)異性能，不僅能夠直接制備柔性電極，還能與活性材料復(fù)合，作為基底提供自支撐的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)[3]。主要碳基材料有碳紙/碳纖維布、碳納米管、石墨烯，以及其他低維納米材料。

2.1 碳紙/碳纖維布

碳紙/碳纖維布材料由碳纖維紡織而成。碳纖維(CNF)是含碳量高于90%的無(wú)機(jī)高分子纖維，具有輕柔、環(huán)保、可折疊、電導(dǎo)率高、機(jī)械強(qiáng)度大等特點(diǎn)，是很好的電極材料[1,4]。近年來(lái)，紙基電極由于具有柔性和易于制備的特點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注，但將其用于鋰離子電池時(shí)存在活性差、鋰化-脫鋰化過(guò)程體積變化大、倍率性能和循環(huán)性差等問(wèn)題。Huang 等[5]提出使用水蒸氣選擇性刻蝕法獲得擁有良好柔性及長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性的紙基電極材料，為提高電極材料的柔性以及抑制充放電過(guò)程中體積膨脹提供了新的思路。研究表明，在高溫碳化紙基材料的過(guò)程中，水蒸氣會(huì)選擇性刻蝕與氧化物相鄰的碳原子，使得氧化物鑲嵌到纖維內(nèi)部，由此有效抑制氧化物體積膨脹，從而提高電極的循環(huán)穩(wěn)定性，如圖1 所示。

圖1 水蒸氣選擇性刻蝕示意圖

由于在紙基上可生長(zhǎng)或復(fù)合多種電化學(xué)活性材料，受蚌類(lèi)生物結(jié)構(gòu)特性的啟發(fā)，Hua 等[6]用聚合物輔助金屬沉積法在纖維紙上涂覆聚多巴胺(PDA)界面層，在涂覆PDA 的紙表面生長(zhǎng)Ag 納米粒子，形成導(dǎo)電性能優(yōu)異的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。這樣制備的柔性紙基電極的電導(dǎo)率可達(dá)40.58 S/cm，在同類(lèi)電極中性能更優(yōu)且在超聲和機(jī)械彎曲下穩(wěn)定性顯著。

圖2 Ag/PDA/紙樣本結(jié)構(gòu)示意圖

Deng 等[7]通過(guò)構(gòu)建三維有序大孔納米結(jié)構(gòu)MoS2@C，在碳布上進(jìn)行原位組裝，最終制備出具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的MoS2@C/CC 電極(圖3)，應(yīng)用于柔性可折疊鋰離子電池。此類(lèi)MoS2@C/CC 電極的電導(dǎo)率為15.7 S/cm，比MoS2/CC 電極的電導(dǎo)率(僅為0.5 S/cm)更為優(yōu)異。

圖3 MoS2@C/CC柔性電極制備示意圖

Xu 等[8]選擇無(wú)塵紙作為柔性結(jié)構(gòu)支撐，在表面沉積CNTs和MnO2，將其做電化學(xué)活性材料，制備出高性能紙基電極。該電極的電導(dǎo)率為42 S/cm，用該電極和PVA/KOH 凝膠電解質(zhì)制備的超級(jí)電容器可彎曲180°，其電化學(xué)容量基本不變。

2.2 碳納米管

碳納米管(carbon nanotube，CNT)是由碳原子構(gòu)成的單壁或多壁圓柱狀納米結(jié)構(gòu)材料，擁有優(yōu)良的導(dǎo)電性、彈性、抗腐蝕性和超高的抗拉強(qiáng)度，且質(zhì)量輕、化學(xué)穩(wěn)定、制備工藝簡(jiǎn)單[1,9]。

鑒于CNT 結(jié)構(gòu)具有良好的力學(xué)性能，彭慧勝課題組[10]將鋰硅合金/CNT 復(fù)合物作為負(fù)極芯，再用聚合物凝膠電解質(zhì)包覆，外層由CNT 層作為正極，組成纖維狀硅氧電池(鋰硅/空氣電池)，其比能量可達(dá)512 Wh/kg，彎曲20 000 次仍能正常工作(圖4)。彭慧勝課題組[11]利用彈簧狀纖維電極制備了自支撐可拉伸超級(jí)電容器以及高性能鋰離子電池。課題組將排列整齊的CNT 浸泡在活性材料中，通過(guò)旋轉(zhuǎn)纏繞制備出電導(dǎo)率為102～103S/cm、拉伸率為300%，且任意角度彎曲300 次穩(wěn)定性依舊良好的彈簧狀纖維電極。

圖4 纖維狀硅氧電池(鋰硅/空氣電池)結(jié)構(gòu)示意圖

為在不同基底制備均勻、穩(wěn)定、環(huán)保的微米厚CNT 薄膜，日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所Zhou 等[12]用聚丙烯酸(PAA)作分散劑和摻雜劑研制出高導(dǎo)電、長(zhǎng)壽命、性能穩(wěn)定的碳納米管薄膜。研究表明，約5.1 μm 厚的CNT-PAA 混合薄膜表現(xiàn)出(19.6±4)×103S/cm 的極高電導(dǎo)率。此外，HNO3處理后電導(dǎo)率可達(dá)(35±5)×103S/cm。

鮑哲南課題組與崔屹課題組[2]合作研制的三維碳納米管導(dǎo)電聚合物水凝膠交互網(wǎng)可作為柔性鋰離子電極，且性能優(yōu)異?；谔技{米管導(dǎo)電聚合物水凝膠良好的機(jī)械性能、導(dǎo)電性能以及離子傳輸性能，當(dāng)電極體積變化時(shí)使用碳納米管導(dǎo)電聚合物水凝膠做電極將擁有良好的電極動(dòng)力學(xué)及抗拉伸性能。文獻(xiàn)[2]報(bào)道了高性能TiO2及SiNP 做電極的循環(huán)穩(wěn)定性。通常柔性TiO2電極40s 內(nèi)可充/放電76 mAh/g。柔性SiNP 基電極在0.1C放電時(shí)可獲得2.2 mAh/cm2高面積容量。研究表明，TiO2-PEDOT:PSS-CNT 薄膜的電導(dǎo)率為215 S/cm，經(jīng)過(guò)500 次彎曲后機(jī)械性能良好。

2.3 石墨烯

石墨烯是由碳原子以sp2軌道雜化而成的、呈六角型蜂巢晶格的二維碳納米材料[3]。因其擁有優(yōu)異的力學(xué)及電化學(xué)性能以及極大的理論比表面積，石墨烯材料非常適合于超級(jí)電容器的應(yīng)用[1]。

由于石墨烯及其衍生物具有良好的抗氧化及防潮能力，Zhao 等[13]將石墨烯與銅納米線結(jié)合，制備出性能穩(wěn)定、環(huán)保、導(dǎo)電性能優(yōu)異的柔性電極。該課題組通過(guò)過(guò)濾法制備出的電極，電導(dǎo)率高達(dá)2.77×104S/cm，且1 000 次彎曲后電化學(xué)性能良好。

胡南滔課題組[14]以乙酸為凝固浴，做濕法紡絲并高速剪切氧化石墨烯纖維，將剪切后的短纖維抽濾還原成具有高導(dǎo)電性、高柔韌性以及高電化學(xué)活性的石墨烯纖維無(wú)紡布電極，其電導(dǎo)率達(dá)9.09 S/cm，可彎曲180°。

成會(huì)明課題組[15]利用鎳泡沫模板，通過(guò)化學(xué)氣相沉積法合成了三維宏觀結(jié)構(gòu)的石墨烯，即石墨烯泡沫(graphene foams,GF)。課題組將GF 與PDMS 合成，形成的GF/PDMS 復(fù)合物擁有10 S/cm 的超高電導(dǎo)率，且可以任意彎曲，穩(wěn)定性良好。這類(lèi)高性能材料可作為電極材料應(yīng)用于鋰離子電池、超級(jí)電容器等。

Rodriguez 等[16]研制出可應(yīng)用于長(zhǎng)壽命生物傳感器的水穩(wěn)定柔性石墨烯電極。研究表明，通過(guò)激光還原的氧化石墨烯在極端環(huán)境下能夠完好無(wú)損。激光誘導(dǎo)形成的rGO-PET復(fù)合物擁有機(jī)械及化學(xué)性能穩(wěn)定、水穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)。這種具有競(jìng)爭(zhēng)力的激光誘導(dǎo)還原石墨烯技術(shù)不僅測(cè)量穩(wěn)定性優(yōu)異，且價(jià)格低廉，與柔性電子器件兼容，可大規(guī)模應(yīng)用于臨床領(lǐng)域，前景可觀。

3 柔性儲(chǔ)能電源的應(yīng)用

柔性儲(chǔ)能電源具有機(jī)械穩(wěn)定性高、電學(xué)穩(wěn)定性高、生物兼容性好等優(yōu)點(diǎn)[17]，若能進(jìn)一步提升柔性電極能量密度，解決封裝問(wèn)題，避免活性材料脫層，有望廣泛應(yīng)用于生命醫(yī)學(xué)、智能科學(xué)等諸多領(lǐng)域。柔性儲(chǔ)能器件的應(yīng)用包括柔性電池，如柔性鋰離子電池、鋰硫電池、鋰氧電池、鎳鋅電池、線型微電池[18-20]，以及超級(jí)電容器等(表1)。隨著柔性電極材料的改進(jìn)，柔性儲(chǔ)能器件的應(yīng)用也更廣泛。近期已出現(xiàn)應(yīng)用柔性儲(chǔ)能器件的先進(jìn)電子產(chǎn)品，如華為Mate X 柔性屏手機(jī)、三星Youm 柔性顯示屏、可穿戴Apple Watch 等[21-23]，柔性儲(chǔ)能技術(shù)已逐漸融入并改變著人們的生活方式。

表1 電極材料性能對(duì)比及器件應(yīng)用

目前柔性儲(chǔ)能器件主要應(yīng)用于兩個(gè)方面。一方面是基于人體對(duì)便捷電子設(shè)備的需求，如可穿戴電子設(shè)備、電子皮膚、可植入電子設(shè)備等，用于監(jiān)控人體生理及心理上的變化，例如實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)肌肉活動(dòng)為臨床分析提供有效信息，肌肉疲勞測(cè)試并檢測(cè)人體疲勞狀況從而提高人類(lèi)鍛煉效果，甚至可避免因運(yùn)動(dòng)過(guò)度帶來(lái)不必要的損傷或意外；此外，柔性儲(chǔ)能器件在心率、動(dòng)脈壓力和溫度檢測(cè)、血流、血氧[24-27]檢測(cè)等諸多方面都有應(yīng)用的前景。由于長(zhǎng)期與人體接觸，柔性儲(chǔ)能器件的材料還需兼具可拉伸性、透氣性、舒適性以及自愈性等。另一方面是作為柔性電子系統(tǒng)的組成部分應(yīng)用于新一代柔性機(jī)器人，以解決傳統(tǒng)機(jī)器人無(wú)法模擬生物體的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)以及生物兼容性差等問(wèn)題。柔性機(jī)器人的應(yīng)用可提高人機(jī)交互體驗(yàn)，完成如微創(chuàng)外科手術(shù)和康復(fù)輔助[28-29]等對(duì)人類(lèi)具有挑戰(zhàn)性的工作。柔性電極材料等智能材料是設(shè)計(jì)搭建柔性機(jī)器人的關(guān)鍵。

4 結(jié)論與展望

剛性電極材料已無(wú)法滿足儲(chǔ)能器件在人體、柔性仿生機(jī)器人等方面的應(yīng)用需求，柔性電極的發(fā)展推動(dòng)了儲(chǔ)能器件在生命醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、人工智能領(lǐng)域等方面的應(yīng)用。至今已發(fā)現(xiàn)多種可用于制備柔性電極的碳基材料，如碳納米管、石墨烯、碳紙/碳纖維布等，然而這些材料很難兼具良好的導(dǎo)電性、柔性、穩(wěn)定性、透明性、自愈性、安全性等。因此，如何制備綜合性能優(yōu)良的電極材料是未來(lái)發(fā)展的一個(gè)方向。這就凸顯了在不同領(lǐng)域間合作研究的重要性。此外，目前缺少一套標(biāo)準(zhǔn)化的性能表征方法，以便對(duì)不同類(lèi)型的柔性電子器件性能進(jìn)行評(píng)價(jià)對(duì)比。且由于該領(lǐng)域的發(fā)展仍停留在實(shí)驗(yàn)室階段，如何提升工藝水平，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率并保證安全性，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)用化和工業(yè)化，是未來(lái)需要解決的另一類(lèi)問(wèn)題?？深A(yù)見(jiàn)的是，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新型柔性儲(chǔ)能器件將逐漸融入并改變?nèi)藗兊纳睢?/p>