可折叠、可穿戴电子产品不可或缺的材料——柔性锂电负极材料


来源:中国粉体网   文正

[导读]  目前研究较多的柔性负极材料有石墨烯、碳纳米管、纳米炭纤维、高分子导电聚合物、炭布等。

中国粉体网讯  可折叠、可穿戴电子设备日益受到人们关注,开发与之配套的柔性电极材料成为当下的研究热点。与这类产品配套的储能器件必须具备体积小、重量轻、柔性等特点。探索新型高比容量、环境友好和低成本的柔性锂离子电池对于未来便携式电子设备的发展具有重要意义。


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柔性锂离子电池的关键在于柔性电极材料。制备柔性可弯曲电极材料是实现柔性锂离子电池技术的前提,其中,柔性负极材料对柔性锂离子电池性能起到重要作用。


目前研究较多的柔性负极材料有石墨烯、碳纳米管、纳米炭纤维、高分子导电聚合物、炭布等。


石墨烯柔性负极材料


石墨烯是近年来备受关注的2D层状碳材料,在众多领域具有很好的应用前景。相比于其它碳材料,石墨烯是由单片层厚度的碳原子无序松散聚集形成,这种结构有利于Li+的嵌入,在片层和边缘都能储存Li+,因此理论容量明显高于石墨。


石墨烯可以通过多种方式加工成膜,表面易官能团化,大比表面积可承载大量活性物质,具有高的电子导电率。良好的热导率、化学性能稳定、柔韧性强等优势使得石墨烯非常适合用来制备锂离子电池柔性负极。但石墨烯的缺点也很明显,比如单层石墨烯片层极易堆积,比表面积的减少使其丧失了部分高储锂空间;首次库伦效率低;初期容量衰减快等。因此,它必须要和具有高容量的无机活性物质联合使用。


碳纳米管柔性负极材料


碳纳米管由于其高的电导率、良好的机械性能及高的比表面积,被作为锂离子电池柔性负极的基体和活性物质做了大量研究。碳纳米管可以很容易通过各种方法组装成膜,例如真空抽滤、自组装、干拉伸法、刮刀涂布法等。早期研究中,先将碳纳米管与其他活性物质混合制备成悬浮液,然后直接过滤成膜或沉积在电池隔膜上作为锂离子电池柔性负极,研究表明,其具有较高的嵌锂容量。但这种方法得到的活性物质往往出现锂嵌入后难于脱嵌的问题。为了克服此种缺陷,人们首先通过各种物理或化学的方法将高容量的活性物质生长在碳纳米管上,然后再进行成膜。


采用碳纳米管网络体系制备柔性负极有以下几个明显的优势:高的表面积和化学稳定性保证了电极结构在循环过程中的完整性;好的导电性增强了负极的电化学反应能力;好的柔韧性抑制了电极材料的体积变化。但是,对于碳纳米管基负极,还需要在碳纳米管上引入适量的具有高容量的活性物质,这样才能使碳纳米管负极具有高的电容量和导电性。


纳米炭纤维柔性负极材料


纳米炭纤维具有好的导电性、优良的机械性能、低密度等优点,可以制作自支撑的可折叠柔性负极,结合静电纺丝和高温炭化技术的工艺目前被证明是制备纳米炭纤维最有效的方法。但纳米炭纤维低的理论容量限制了它在柔性电池中的应用。


为了提高柔性负极的电化学性能,人们对纳米炭纤维做了一系列的改性研究。可以通过制备高储锂容量活性物质/纳米炭纤维复合材料来提高其电化学性能。在这些复合材料中,纳米炭纤维良好的机械性能能够缓解高活性物质在充放电循环过程中的体积变化。此外,也可制备具有独特3D孔结构的多孔纳米炭纤维从而获得优良的电化学性能。还可以在纳米炭纤维上沉积氮元素,提高其电化学性能。


高分子导电聚合物柔性负极材料


具有良好导电性和电化学性能的高分子聚合物也常作为柔性电池的电极材料。目前,用于柔性电池电极材料的导电聚合物有聚吡咯(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不仅拥有良好的导电性和稳定性,而且由于诸多空位和缺陷的存在,能使其具有优异的存储性能。PPy具有牢固的3D交联结构,当其作为基体材料时,能展现出较为优异的柔韧性,多次弯折也不易破坏原有结构。


炭布柔性负极材料


炭布具有优良的耐腐蚀性、突出的机械柔韧性和抗拉强度、高的导电率,且成本低,因此也可作为柔性锂离子电池负极的基体材料。此外,炭布具有三维的多孔网状结构,便于电解液渗透到电极材料中去。但炭布本身的储锂容量较低,在炭布上沉积、生长或者包覆高容量的活性材料是解决这一不足的有效方法。在炭布上生长纳米活性物质,最常用的方法是水热法。有研究者利用水热法在炭布上生长出了ZnCo2O4纳米线阵列,得到了三维的ZnCo2O4纳米线阵列/炭布复合材料,以该材料作为柔性锂离子电池负极,显示出了较高的可逆容量,在200mA/g的电流密度下循环160周后,仍然有1200mAh/g的比容量。


其他柔性负极材料


除了以上几类柔性材料外,还有炭纤维织物、炭纸、膨胀石墨纸、石墨纸、泡沫炭也可用来作为柔性负极的集流体,它们质量轻且柔韧性好。另外,也有完全由纳米活性物质构成的柔性负极,如3D网状Li4Ti5O12纳米结构负极材料,夹层式CNx/CuO/CNx纳米结构负极材料,目前这些负极活性物质所占的质量比得到大幅提升,但这类负极材料的电子导电率较低。因此,对于这类柔性负极材料,提高其电子导电率和降低其成本是将来的研究方向。


参考来源:

1、望军等.柔性锂离子电池负极材料研究进展

2、阮佳锋.高性能柔性碳基负极材料设计及性能研究

3、望军等.锂离子电池CoO多孔纳米片阵列/碳布柔性负极材料


(中国粉体网编辑整理/文正)

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作者:文正

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