石墨烯基柔性能量存儲與轉(zhuǎn)換器件研究取得進展
電池、超級電容器、太陽能電池等能量存儲與轉(zhuǎn)換器件因在能量高效利用及便攜式電子產(chǎn)品等領(lǐng)域的廣闊應用前景而備受關(guān)注。隨著消費電子產(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)建柔性能量存儲與轉(zhuǎn)換器件的理想材料之一。
最近，中科院金屬所沈陽材料科學國家（聯(lián)合）實驗室先進炭材料研究部設(shè)計并制備出基于碳納米管/石墨烯的柔性能量存儲與轉(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聚，并具有快速輸運電解液離子的通道。將該復合材料作為超級電容器的電極，其單位面積電容量達到81mF/cm2，且經(jīng)過5000次以上的充放電循環(huán)容量不衰減。利用該復合材料組裝成的柔性超級電容器表現(xiàn)出超高的柔性，經(jīng)過1000次以上彎折其儲能性能基本保持不變（圖1a）。三個串聯(lián)超級電容器具有2.5伏以上的電壓，足以點亮一只發(fā)光二極管（圖1b），同時該柔性超級電容器可任意裁剪、折疊、卷曲成各種形狀（圖1c），其性能可滿足射頻標簽等微功率應用的需要。由于纖維素紙價格低廉，他們也已開發(fā)出大批量、低成本生產(chǎn)石墨烯的技術(shù)，而且柔性石墨烯復合紙的制備工藝簡單，因此該復合材料有望在柔性電子產(chǎn)品中獲得應用。
與此同時，他們與天津大學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極材料和染料敏化太陽能電池的對電極材料。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在石墨烯基片上，二者結(jié)合緊密，整體導電性好、可彎折（圖2a, b），無需使用任何導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。半電池性能測試結(jié)果表明，該全碳電極具有高的庫倫效率、良好的循環(huán)穩(wěn)定性和較大的儲鋰容量（圖2c）。在染料敏化太陽能電池中，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與轉(zhuǎn)換器件中獲得應用。
以上研究工作的主要內(nèi)容已分別發(fā)表在國際學術(shù)期刊《先進能源材料》上(Advanced Energy Materials 2011, 1(4):486-490; Advanced Energy Materials 2011, 1(5):917-922)，并申請了中國發(fā)明專利。
圖1 基于石墨烯/纖維素復合紙的超級電容器。a)該超級電容器在彎折與未彎折狀態(tài)下的電化學性能幾乎相同；b) 三個串聯(lián)在一起的超級電容器點亮一只發(fā)光二極管；c) 裁剪成梳型電極的超級電容器。
圖2 柔性碳納米管陣列/石墨烯的形貌(a, b)及其作為鋰電負極(c)和染料敏化太陽能電池對電極(d)的性能。
