作者:Zongping Chen 来源:《自然》 发布时间:2012-11-14 10:50:58
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以石墨烯为集流体高性能柔性锂离子电池问世
 
 
图 制备的柔性锂离子全电池及其电化学性能。(a)基于三维石墨烯网络结构的柔性锂离子电池的实物照片;
(b)柔性锂离子电池在弯曲状态下为发光二极管供电;(c)和(d)分别为在弯曲与未弯曲状态下柔性锂离子电池
的充放电曲线和循环性能图,在弯曲状态下电池的容量保持不变。
 
轻薄化和柔性化是便携式电子产品的重要发展趋势,可折叠或可弯曲的便携式电子产品在不远的将来有可能极大地影响甚至改变人类的生活方式。储能器件是便携式电子产品的核心部件,能否开发出高性能柔性储能器件,如柔性锂离子电池,是柔性电子产品广泛应用的关键之一。
 
石墨烯具有高导电性和良好的柔韧性,是柔性储能器件的理想候选材料之一。最近,中科院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室在前期制备出具有三维连通网络结构的石墨烯泡沫的基础上(Nature Materials 10 (6), 424, 2011),利用该材料作为高导电的柔性集流体,设计并制备出可快速充放电的柔性锂离子电池。
 
研究人员将三维连通的石墨烯网络作为集流体,取代电池中常用的金属集流体,不仅可有效降低电极中非活性物质的比例,且三维石墨烯网络的高导电性和多孔结构为锂离子和电子提供了快速扩散通道,可实现电极材料的快速充放电性能。为了在不使用粘结剂和导电添加剂的情况下实现活性物质和石墨烯集流体的良好接触以促进电子传输和提高弯折时电极材料的稳定性,研究人员发展了原位水热合成方法,在石墨烯三维连通网络结构上直接生长活性物质,如磷酸铁锂和钛酸锂。将磷酸铁锂/石墨烯和钛酸锂/石墨烯复合材料分别作为正负极,采用柔性硅胶为封装体,组装了具有很好柔性的锂离子全电池(图a, b)。该柔性锂离子电池在弯曲时,其充放电特性保持不变(图c,d),并可在6分钟内完成充电(达到初始容量的90%),在100次循环之后容量保持率在96%。
 
该研究为高性能柔性锂离子电池的设计和制备提出了一种新思路。这种可快速充电的柔性锂离子电池的制备工艺简单,具有潜在的实际应用价值。
 
该研究成果在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上在线发表(PNAS, 2012, doi:10.1073/pnas.1206839109)。此外,该研究团队还充分利用石墨烯和碳纳米管的优异特性,发展出超级电容器和锂-硫电池用柔性电极材料(ACS Nano 3 (7), 1745, 2009; Advanced Energy Materials 1 (5), 917, 2011; Energy & Environmental Science 5, 8901, 2012),为柔性储能器件的开发奠定了良好基础。
 
上述工作得到了国家自然科学基金委、科技部和中科院有关项目的资助。(来源:中科院金属研究所)
 
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