石墨烯基柔性能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換器件研究取得進(jìn)展
電池、超級(jí)電容器、太陽(yáng)能電池等能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換器件因在能量高效利用及便攜式電子產(chǎn)品等領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景而備受關(guān)注。隨著消費(fèi)電子產(chǎn)品小型化及可穿戴、可折疊柔性電子產(chǎn)品概念的提出，亟待開發(fā)能為之提供能量的輕、薄、柔性的儲(chǔ)能器件。碳納米管和石墨烯分別為典型的一維和二維碳質(zhì)材料，具有比表面積大、導(dǎo)電性高、柔韌性好等結(jié)構(gòu)和性能特征，因而是構(gòu)建柔性能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換器件的理想材料之一。
最近，中科院金屬所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)炭材料研究部設(shè)計(jì)并制備出基于碳納米管/石墨烯的柔性能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換器件，并發(fā)現(xiàn)其具有循環(huán)穩(wěn)定性好、可快速充放電、可彎折等優(yōu)異性能。例如，他們將石墨烯納米片自組裝在構(gòu)成濾紙的纖維素纖維的孔隙中，制備出一種石墨烯/纖維素三維網(wǎng)狀復(fù)合材料。該材料不僅秉承了紙的柔性，而且減少了石墨烯納米片的堆疊團(tuán)聚，并具有快速輸運(yùn)電解液離子的通道。將該復(fù)合材料作為超級(jí)電容器的電極，其單位面積電容量達(dá)到81mF/cm2，且經(jīng)過(guò)5000次以上的充放電循環(huán)容量不衰減。利用該復(fù)合材料組裝成的柔性超級(jí)電容器表現(xiàn)出超高的柔性，經(jīng)過(guò)1000次以上彎折其儲(chǔ)能性能基本保持不變（圖1a）。三個(gè)串聯(lián)超級(jí)電容器具有2.5伏以上的電壓，足以點(diǎn)亮一只發(fā)光二極管（圖1b），同時(shí)該柔性超級(jí)電容器可任意裁剪、折疊、卷曲成各種形狀（圖1c），其性能可滿足射頻標(biāo)簽等微功率應(yīng)用的需要。由于纖維素紙價(jià)格低廉，他們也已開發(fā)出大批量、低成本生產(chǎn)石墨烯的技術(shù)，而且柔性石墨烯復(fù)合紙的制備工藝簡(jiǎn)單，因此該復(fù)合材料有望在柔性電子產(chǎn)品中獲得應(yīng)用。
與此同時(shí)，他們與天津大學(xué)楊全紅教授及中科院物理所孟慶波研究員密切合作，在柔性石墨烯片層上生長(zhǎng)出碳納米管垂直陣列。由二維石墨烯和一維碳納米管構(gòu)成的全碳材料可作為高性能鋰離子電池的負(fù)極材料和染料敏化太陽(yáng)能電池的對(duì)電極材料。在傳統(tǒng)的鋰離子電池中，銅集流體及粘結(jié)劑相對(duì)活性物質(zhì)占了較大比重。在該成果中，碳納米管陣列直接生長(zhǎng)在石墨烯基片上，二者結(jié)合緊密，整體導(dǎo)電性好、可彎折（圖2a, b），無(wú)需使用任何導(dǎo)電添加劑就可直接作為碳質(zhì)集流體，從而顯著提高電池的能量密度和功率密度。半電池性能測(cè)試結(jié)果表明，該全碳電極具有高的庫(kù)倫效率、良好的循環(huán)穩(wěn)定性和較大的儲(chǔ)鋰容量（圖2c）。在染料敏化太陽(yáng)能電池中，該全碳材料可以高效催化I3-的還原，其能量轉(zhuǎn)化效率達(dá)到傳統(tǒng)鉑電極的83%（圖2d），有望替代資源稀缺的貴金屬鉑。因此該石墨烯-碳納米管組裝體有望在高性能柔性能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換器件中獲得應(yīng)用。
以上研究工作的主要內(nèi)容已分別發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《先進(jìn)能源材料》上(Advanced Energy Materials 2011, 1(4):486-490; Advanced Energy Materials 2011, 1(5):917-922)，并申請(qǐng)了中國(guó)發(fā)明專利。
圖1 基于石墨烯/纖維素復(fù)合紙的超級(jí)電容器。a)該超級(jí)電容器在彎折與未彎折狀態(tài)下的電化學(xué)性能幾乎相同；b) 三個(gè)串聯(lián)在一起的超級(jí)電容器點(diǎn)亮一只發(fā)光二極管；c) 裁剪成梳型電極的超級(jí)電容器。
圖2 柔性碳納米管陣列/石墨烯的形貌(a, b)及其作為鋰電負(fù)極(c)和染料敏化太陽(yáng)能電池對(duì)電極(d)的性能。
