焦玉春 陳騰飛 侯炳虎

摘 要：碳納米管因其獨(dú)特的力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)性能，在鋰離子電池電極材料中得到了廣泛的應(yīng)用。本文主要對(duì)柔性電極材料的特點(diǎn)以及碳納米管在柔性電極材料中的應(yīng)用進(jìn)行了綜述。

關(guān)鍵詞：碳納米管;柔性電極;研究進(jìn)展

鋰離子電池具有工作電壓高、比能量密度大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、無(wú)記憶效應(yīng)和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在數(shù)碼相機(jī)、手機(jī)、筆記本電腦等多個(gè)方面進(jìn)行了應(yīng)用。隨著這些移動(dòng)電子設(shè)備的不斷小型化、輕量化，對(duì)新一代電池提出了“輕、薄、小”的要求。為了更好地滿足人們對(duì)于現(xiàn)代科技產(chǎn)品和高質(zhì)量綠色生活的需求，發(fā)展具有高能量密度及高循環(huán)穩(wěn)定性的柔性電極材料勢(shì)在必行。

碳納米管中的碳原子之間以sp2雜化方式鍵合，使得碳納米管具有很高的楊氏模量，是一種具有高斷裂強(qiáng)度的新材料。碳納米管同時(shí)具有很高的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率、優(yōu)異的電化學(xué)性能、極佳的韌性以及化學(xué)可調(diào)的表面，容易加工形成柔性薄膜/紙張。因此，碳納米管是一種先進(jìn)的柔性儲(chǔ)能材料。本文主要對(duì)柔性電極材料的特點(diǎn)以及碳納米管在柔性電極材料中的應(yīng)用進(jìn)行了綜述。

1 柔性電極的特點(diǎn)

傳統(tǒng)的電極通常由電極材料粉末、黏結(jié)劑、導(dǎo)電劑及集流體等構(gòu)成。相比傳統(tǒng)電極材料，柔性電極材料具有優(yōu)越的力學(xué)性能，即使在彎曲的情況下也能夠正常工作。從電極材料組成來(lái)說(shuō)，柔性電極不需采用金屬集流體，克服了普通電極中通過(guò)加入黏結(jié)劑（如聚偏二氟乙烯，PVDF）將電極材料固定到集流體上易在電極彎曲情況下誘發(fā)活性材料脫離集流體的缺點(diǎn)。柔性電極除了省卻金屬集流體外，還避免了電極材料和集流體復(fù)合所需的黏結(jié)劑的使用。普通電極中采用的高分子黏結(jié)劑會(huì)明顯阻礙離子在電極中的傳輸，降低整個(gè)電極的離子傳輸率，從而降低電極的容量。同時(shí)，黏結(jié)劑還會(huì)減小活性物質(zhì)的有效比表面積，加劇電極的極化現(xiàn)象。

2 碳納米管基柔性電極的研究進(jìn)展

2.1 碳納米管/柔性基底復(fù)合物

碳納米管具有很高的電導(dǎo)率，可以采用浸潤(rùn)、打印等方法，將碳納米管附著于各類基底上，利用基底提供復(fù)合電極的力學(xué)性能，所附著的碳納米管提供電化學(xué)儲(chǔ)能活性。常見的基底材料，如高分子、紙、紡織布等，都可應(yīng)用這類方法進(jìn)行柔性電極的加工。

Lee等[1]將CNT與PDMS復(fù)合制得了兼有高柔性和高容量的鋰離子電極，通過(guò)相分離、碳納米管混合、萃取、蒸發(fā)等步驟，可得到具有豐富孔容的PDMS與CNT的復(fù)合物。由于其具有多級(jí)孔道結(jié)構(gòu)，離子傳輸阻力較小，因此鋰離子容易在碳納米管表面不斷嵌入和脫嵌。PDMS為該電極提供結(jié)構(gòu)支撐骨架，保證其有較高的楊氏模量和斷裂強(qiáng)度，而碳納米管用于傳輸及儲(chǔ)存鋰離子，使該電極有穩(wěn)定的電化學(xué)儲(chǔ)能特性。

2.2 碳納米管紙

為了提高活性物質(zhì)在柔性電極中的質(zhì)量，可以采用碳納米管形成的紙直接作為基底。在這種電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，碳納米管既是構(gòu)建導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的基元，也是整個(gè)電極的支撐骨架。

制備碳納米管紙基柔性電極的通常流程涉及將碳納米管分散后進(jìn)行真空抽濾成膜，再進(jìn)行干燥等一系列處理，最后制得碳納米管紙。通過(guò)浸潤(rùn)等方法可以直接將活性物質(zhì)負(fù)載在碳納米管紙上，或者可先將合成活性物質(zhì)的前驅(qū)體與碳納米管紙復(fù)合，再進(jìn)行活性物質(zhì)的合成。如Chen等[2]制備了TiO2納米顆粒與碳納米管紙的復(fù)合電極。如圖1所示，將溶有TiO2的油酸溶液滴在超長(zhǎng)碳納米管制得的碳納米管紙上，經(jīng)過(guò)后續(xù)加熱蒸發(fā)得到所需柔性復(fù)合電極。

2.3 碳納米管與活性物質(zhì)原位復(fù)合

將合成活性物質(zhì)的前驅(qū)體與碳納米管共沉淀成膜，再由前驅(qū)體合成活性物質(zhì)，該種原位復(fù)合的方法更能保證電極材料在導(dǎo)電骨架中的分散以及與離子通道的良好結(jié)合。

Jia等[3]采取原位合成的方法制得碳納米管與V2O5復(fù)合的柔性電極。先將由碳納米管制得的氣凝膠與合成V2O5的前體攪拌混合，水熱合成V2O5，經(jīng)過(guò)清洗過(guò)濾后得到V2O5/CNT宏觀體復(fù)合物，如圖2所示。這種原位合成方法的突出優(yōu)點(diǎn)在于形成了V2O5納米線和超長(zhǎng)碳納米管相互穿插交聯(lián)的結(jié)構(gòu)，碳納米管貫穿整個(gè)電極，構(gòu)建了良好的長(zhǎng)程導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。V2O5納米線與其相互交叉編織，大大提高了電極的柔性。

CNT由于其獨(dú)特的管狀結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在柔性電極材料中得到了廣泛的應(yīng)用。下一步的研究重點(diǎn)是如何實(shí)現(xiàn)碳納米管基柔性電極材料的工業(yè)化和市場(chǎng)化。

參考文獻(xiàn)

[1]Lee H，Yoo J，Park J，et al.A Stretchable Polymer–Carbon Nanotube Composite Electrode for Flexible Lithium‐Ion Batteries：Porosity Engineering by Controlled Phase Separation[J].Advanced Energy Materials，2012，2（8）：914-914.

[2]Chen Z，Zhang D，Wang X，et al.High-performance energy-storage architectures from carbon nanotubes and nanocrystal building blocks[J].Advanced Materials，2012，24（15）：2030-2036.