(a)基于三維石墨烯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的柔性鋰離子電池的實(shí)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(yuǎn)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(yīng)用的關(guān)鍵之一。
石墨烯具有高導(dǎo)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(xué)國家(聯(lián)合)實(shí)驗(yàn)室在前期制備出具有三維連通網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)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(luò)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(luò)的高導(dǎo)電性和多孔結(jié)構(gòu)為鋰離子和電子提供了快速擴(kuò)散通道，可實(shí)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(dǎo)電添加劑的情況下實(shí)現(xiàn)活性物質(zhì)和石墨烯集流體的良好接觸以促進(jìn)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(luò)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(fù)合材料分別作為正負(fù)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(dá)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(shí)際應(yīng)用價值。
該研究成果在《美國國家科學(xué)院院刊》(PNAS)上在線發(fā)表(PNAS, 2012, doi:10.1073/pnas.1206839109)。此外，該研究團(tuán)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(xué)基金委、科技部和中科院有關(guān)項目的資助。
