(a)基于三維石墨烯網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的柔性鋰離子電池的實物照片；
(b)柔性鋰離子電池在彎曲狀態(tài)下為發(fā)光二極管供電；
(c)和(d)分別為在彎曲與未彎曲狀態(tài)下柔性鋰離子電池的充放電曲線和循環(huán)性能圖，在彎曲狀態(tài)下電池的容量保持不變。
輕薄化和柔性化是便攜式電子產(chǎn)品的重要發(fā)展趨勢，可折疊或可彎曲的便攜式電子產(chǎn)品在不遠的將來有可能極大地影響甚至改變?nèi)祟惖纳罘绞?。儲能器件是便攜式電子產(chǎn)品的核心部件，能否開發(fā)出高性能柔性儲能器件，如柔性鋰離子電池，是柔性電子產(chǎn)品廣泛應用的關(guān)鍵之一。
石墨烯具有高導電性和良好的柔韌性，是柔性儲能器件的理想候選材料之一。最近，中科院金屬研究所沈陽材料科學國家(聯(lián)合)實驗室在前期制備出具有三維連通網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的石墨烯泡沫的基礎(chǔ)上(Nature Materials 10 (6), 424, 2011)，利用該材料作為高導電的柔性集流體，設(shè)計并制備出可快速充放電的柔性鋰離子電池。
研究人員將三維連通的石墨烯網(wǎng)絡作為集流體，取代電池中常用的金屬集流體，不僅可有效降低電極中非活性物質(zhì)的比例，且三維石墨烯網(wǎng)絡的高導電性和多孔結(jié)構(gòu)為鋰離子和電子提供了快速擴散通道，可實現(xiàn)電極材料的快速充放電性能。為了在不使用粘結(jié)劑和導電添加劑的情況下實現(xiàn)活性物質(zhì)和石墨烯集流體的良好接觸以促進電子傳輸和提高彎折時電極材料的穩(wěn)定性，研究人員發(fā)展了原位水熱合成方法，在石墨烯三維連通網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)上直接生長活性物質(zhì)，如磷酸鐵鋰和鈦酸鋰。將磷酸鐵鋰/石墨烯和鈦酸鋰/石墨烯復合材料分別作為正負極，采用柔性硅膠為封裝體，組裝了具有很好柔性的鋰離子全電池(圖a, b)。該柔性鋰離子電池在彎曲時，其充放電特性保持不變（圖c,d），并可在6分鐘內(nèi)完成充電(達到初始容量的90%)，在100次循環(huán)之后容量保持率在96%。
該研究為高性能柔性鋰離子電池的設(shè)計和制備提出了一種新思路。這種可快速充電的柔性鋰離子電池的制備工藝簡單，具有潛在的實際應用價值。
該研究成果在《美國國家科學院院刊》(PNAS)上在線發(fā)表(PNAS, 2012, doi:10.1073/pnas.1206839109)。此外，該研究團隊還充分利用石墨烯和碳納米管的優(yōu)異特性，發(fā)展出超級電容器和鋰-硫電池用柔性電極材料(ACS Nano 3 (7), 1745, 2009; Advanced Energy Materials 1 (5), 917, 2011; Energy & Environmental Science 5, 8901, 2012)，為柔性儲能器件的開發(fā)奠定了良好基礎(chǔ)。
上述工作得到了國家自然科學基金委、科技部和中科院有關(guān)項目的資助。
