為了滿足日益增長的對電子產品小型化、多樣性和可變性的需求,柔性可穿戴的便攜式電子產品成為未來發展的趨勢。近年來,可卷繞式顯示屏的問世及電子襯衫和卷屏手機等柔性電子產品概念的提出，引發了科研工作者對柔性電子技術的研究熱潮。柔性電子技術即將帶來新一輪電子技術革命,并將對社會生活方式及習慣產生革命性影響。柔性電化學儲能材料不僅需要承受電池、電容器材料自身在電化學過程中引起的體積變化,同時還需要器件在機械變形條件下也能夠正常工作。

電池材料發展現狀

柔性鋰離子電池是鋰離子電池領域的新興研究方向之一,目前仍處于實驗室研究階段。發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率和熱導率、優異的電化學性能以及易功能化的表面,同時容易加工形成柔性薄膜。因此,石墨烯被認為是一種極具潛力的先進柔性電化學儲能材料。石墨烯在可彎折柔性鋰離子電池中的應用主要包括2個方面:

石墨烯作為導電增強相,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電特性,獲得復合導電基體,并擔載活性物質;

石墨烯或其復合材料直接作為柔性基體或柔性電極。石墨烯/柔性基體復合結構

石墨烯具有很高的電子電導率,可采用噴涂、浸潤、涂覆等不同方法,將石墨烯附著于各類柔性基底上,利用基底提供柔性支撐,提供力學性能,石墨烯提供導電網絡,形成了石墨烯/柔性基體復合結構。常見的基體材料,如高分子、紙、紡織布等,都可制備這種類型的電極。

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

石墨烯薄膜及復合材料的柔性基體

為了提高活性物質在柔性電極中的比例,石墨烯薄膜也可直接充當負極使用。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構和豐富的表面官能團,也使得石墨烯薄膜具有高的可彎折和力學特性。

石墨烯柔性電極的性能表征

電化學測試主要包括半電池的電化學性能和動態條件下的全電池電化學性能測試等.目前大部分柔性電極都是組裝成紐扣式半電池進行電化學性能的研究,同時在靜態條件下對其拉伸、剪切、彎折強度進行測試。

Ruoff研究組詳細研究了GO薄膜的制作及拉伸、彎曲等力學行為。

Kim等人用氣相化學沉積法制備了高品質石墨烯薄膜,將石墨烯轉移到PET基底上并包覆一層聚二甲基硅氧烷(PDMS)進行力學性能測試,Cheng研究組對石墨烯薄膜及石墨烯/纖維素復合紙進行了拉伸測試和反復彎折的實驗。Cheng研究組用泡沫Ni模板定向化學氣相沉積制備了三維石墨烯泡沫,互連的網絡狀結構使其具有高的比表面積、高電導率和柔性。因石墨烯泡沫內存在褶皺和波紋。

發展趨勢預測

綜上所述,柔性仍處于實驗室研究階段,目前主要集中在可彎折的柔性鋰離子電池領域。得益于良好的二維結構和力學特性,石墨烯有望作為柔性電極的核心材料得到廣泛應用。盡管如此,柔性電池仍然處于發展的初期,距離實際使用仍有相當長的距離。針對石墨烯柔性電極存在的主要問題,未來的發展方向可能會集中在以下幾個方面:

柔性電極的力學性能增強及高可變形性，提高現有石墨烯復合柔性電極拉伸強度和抗彎折性能，解決方案可能將集中在：與碳納米管復合、與聚合物或柔性基體復合、采用新型的電極結構設計。

具有自我修復能力的柔性電池;

快速充電能力的提高;

柔性電極制備新工藝的開發;

柔性鋰離子電池器件組裝及設計。

目前存在的問題主要包括:

(1)電解質的優化改進;(2)柔性封裝材料的發展;(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

隨著柔性電子產品的發展,柔性鋰離子電池作為其關鍵部件之一也備受矚目。盡管近年來,柔性鋰離子電池用電極材料制備技術已經取得了巨大進展,但柔性鋰離子電池的性能仍遠遠達不到傳統鋰離子電池的水平,遠不能滿足實際應用的需求。得益于良好的二維結構和力學特性,石墨烯有望作為柔性電極的核心材料得到廣泛應用石墨烯薄膜直接作為柔性基體能夠降低電極的質量,提高電池的整體能量密度,因此將具有更廣闊的發展前景。