【背景介紹】
近年來，隨著柔性可穿戴電子器件的快速發(fā)展，柔性可充電電池表現(xiàn)出巨大的市場(chǎng)前景。傳統(tǒng)的電池是剛性的，在發(fā)生形變過程中電極材料容易從集流體上脫落，影響電化學(xué)性能并且存在安全隱患。因此，設(shè)計(jì)和開發(fā)電化學(xué)性能優(yōu)異、機(jī)械強(qiáng)度高以及穩(wěn)定性能突出的柔性可充電電池受到了科學(xué)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。柔性電池的設(shè)計(jì)可以通過兩種路徑來實(shí)現(xiàn)：第一種是采用本征柔韌性好的電極材料，且在形變過程中電化學(xué)性能不發(fā)生衰減；第二種是對(duì)電極或器件進(jìn)行獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其具備良好的變形能力（包括折疊、彎曲、拉伸或壓縮等）。作為碳家族的一員，碳納米管（CNT）具有獨(dú)特的一維管狀結(jié)構(gòu)，因具有電導(dǎo)率高（>105 S m-1, 300 K）、比表面積大（1315 m2 g-1）、力學(xué)性能突出（楊氏模量和拉伸強(qiáng)度分別達(dá)到1 TPa和300 GPa）和化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是構(gòu)建柔性電池的理想材料。如何研制出高性能的CNT基柔性電池器件成為未來幾年的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)。
【成果簡(jiǎn)介】
近日，北京大學(xué)李彥教授，悉尼大學(xué)陳元教授，蘇州大學(xué)倪江鋒教授（共同通訊作者）等人總結(jié)報(bào)道了碳納米管在柔性電池中的應(yīng)用進(jìn)展與展望。北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院博士研究生朱勝和盛建為論文共同第一作者。該論文綜述了近年來CNT在柔性電池開發(fā)中的應(yīng)用進(jìn)展，從封閉式電池體系到開放式電池體系，重點(diǎn)介紹了CNT基材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其在各種柔性電池中的作用。同時(shí)，作者也對(duì)CNT基柔性電池在商業(yè)化過程中所面臨的挑戰(zhàn)和未來研究方向提出了展望。該成果以題為“Carbon nanotubes for flexible batteries: recent progress and future perspective”的綜述論文發(fā)表在國際著名期刊National Science Review上。
【圖文解讀】
圖1. 碳納米管用于柔性全電池的概要
圖2. 碳納米管用于柔性電池的主要優(yōu)勢(shì)
圖3. 碳納米管用于封閉式電池的集流體和電極材料
(a) 通過電子束蒸發(fā)法在CNT集流體表面沉積金屬層的示意圖。
(b) 利用“外延焊接”策略連接CNTs的示意圖。
(c) P、碳納米管和交聯(lián)聚合物粘結(jié)劑之間相互作用的示意圖。
(d) 三維CNT網(wǎng)絡(luò)接枝MOF顆粒負(fù)載S之后的的TEM圖像。
(e) S@L-ZIF-8@CNTs 100周充/放電循環(huán)穩(wěn)定性。
圖4. 碳納米管用于封閉式全電池
(a) TiO2/GO/CNT復(fù)合膜電極的合成和結(jié)構(gòu)示意圖。
(b) 薄膜型鈉離子電池在不同彎曲角度下的比容量及循環(huán)穩(wěn)定性。
(c) CNT纖維陽極的合成和電纜型電池組裝示意圖。
(d) 二維可拉伸的微蜂窩結(jié)構(gòu)電極示意圖。
圖5. 柔性基底負(fù)載碳納米管用于開放式電池的空氣電極
(a) 使用LaNiO3 /NCNT作為氧催化劑組裝的的柔性ZAB照片。
(b) 組裝的ZAB的橫截面SEM圖像。
(c) 使用碳布負(fù)載的LaNiO3 /NCNT作為空氣電極組裝的柔性ZAB的示意圖。
(d) 電池在不同彎曲角度下的恒電流充放電循環(huán)穩(wěn)定性。
(e-f) 不銹鋼網(wǎng)基底上生長(zhǎng)Co3O4/NCNT催化劑的SEM圖像。
(g) Co3O4/NCNT/不銹鋼網(wǎng)空氣電極360°扭曲的照片。
圖6. 自支撐碳納米管組裝體用于開放式電池的空氣電極
(a) 自支撐CNT@POF膜在彎曲和伸展（插圖）狀態(tài)下的照片。
(b) CNT@POF的SEM圖像。
(c) 使用CNT@POF電極組裝的柔性ZAB的結(jié)構(gòu)示意圖。
(d) 可拉伸鋰空氣電池組裝示意圖。
(e, f) 鋰空氣電池拉伸前后的照片。
(g) Co3O4/N-CNT氣凝膠的SEM圖像(插圖為柔性CNT氣凝膠的照片)。
(h) 使用Co3O4/N-CNT氣凝膠組裝的柔性ZAB的結(jié)構(gòu)示意圖。
(i) 使用NiCo2O4@N-OCNT薄膜組裝的柔性電纜型ZAB的結(jié)構(gòu)示意圖。
【總結(jié)與展望】
CNT具有優(yōu)異的物理、化學(xué)和力學(xué)性能，被證明是用于研制高性能柔性電池的理想材料。自支撐的CNT薄膜和纖維可以用作輕質(zhì)柔性集流體。通過摻入活性電極材料或催化劑，各種CNT宏觀組裝體（包括1D纖維，2D薄膜，3D海綿和氣凝膠）可以用作柔性電極材料。為了進(jìn)一步提升CNT基柔性電池的性能，需要對(duì)電池結(jié)構(gòu)以及CNT的生長(zhǎng)、組裝、功能化和裝飾等過程進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化。盡管已經(jīng)取得了可觀的研究進(jìn)展，但是CNT基柔性電池的研制仍處于早期階段，主要還存在如下挑戰(zhàn)：（1）需要進(jìn)一步發(fā)展高性能的CNT組裝體，主要包括三個(gè)方面：① 提升CNT組裝體的機(jī)械性能和導(dǎo)電性能；② 增加CNT組裝體的振實(shí)密度；③ 實(shí)現(xiàn)CNT組裝體的大規(guī)模制備。（2）實(shí)現(xiàn)CNT表面可控的功能化修飾。（3）建立標(biāo)準(zhǔn)化的柔性電池性能評(píng)估體系。
文獻(xiàn)鏈接：
Carbon nanotubes for flexible batteries: recent progress and future perspective（Natl. Sci. Rev., 2020, https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa261）
來源：高分子科學(xué)前沿
