石墨烯在柔性锂离子电池中的应用及前景_闻雷
锂离子电池石墨烯电池
锂离子电池石墨烯电池
锂离子电池是目前应用最广泛的电池之一，其高能量密度和长寿命使其成为电动汽车、智能手机等电子产品的首选电池。
而石墨烯作为一种新型材料，具有优异的导电性、热导性和机械性能，被广泛应用于电池领域。
因此，锂离子电池石墨烯电池的研究和应用备受关注。
石墨烯作为锂离子电池的电极材料，具有很多优势。
首先，石墨烯具有极高的比表面积，可以提高电极的容量和充放电速率。
其次，石墨烯具有优异的导电性和热导性，可以提高电池的能量转换效率和散热性能。
此外，石墨烯还具有很好的机械性能和化学稳定性，可以提高电池的循环寿命和安全性能。
石墨烯已经成功应用于锂离子电池的正极和负极材料中。
在正极材料方面，石墨烯可以作为锂离子电池的导电剂，提高正极材料的导电性和充放电速率。
在负极材料方面，石墨烯可以作为锂离子电池的包覆材料，提高负极材料的稳定性和循环寿命。
除了应用于锂离子电池的电极材料中，石墨烯还可以作为锂离子电池的电解质添加剂。
石墨烯可以提高电解质的导电性和稳定性，从而提高电池的能量转换效率和循环寿命。
锂离子电池石墨烯电池的研究和应用具有广阔的前景。
随着石墨烯制备技术的不断发展和完善，石墨烯电池的性能将会不断提高，为
电动汽车、智能手机等电子产品的发展提供更加可靠和高效的能源支持。
石墨烯的应用现状及发展
石墨烯的应用现状及发展石墨烯是一种全新的材料，由单层碳原子以二维晶格排列而成。
其结构独特，具有许多优异的物理性质，包括高导电性、高热导性、高强度、柔韧性和透明性等。
自2004年石墨烯被首次发现以来，其在各领域的应用潜力被广泛关注和研究。
本文将从石墨烯的应用现状和未来发展方向两个方面，探讨石墨烯材料的前景与挑战。
石墨烯的应用现状1. 电子学领域由于石墨烯具有出色的导电性能，因此在电子学领域有着广泛的应用前景。
石墨烯可以作为高性能晶体管的材料，用于制造更小、更快的电子设备。
石墨烯还可以用于制造柔性电子产品，如可弯曲显示屏、智能穿戴设备等。
在电池领域，石墨烯的高导电性和高比表面积可以显著提高电池的充放电效率和储能密度。
2. 光电子学领域石墨烯具有极高的光透过率和光吸收率，因此可以用于制造高性能的光电器件。
石墨烯透明导电膜可以应用于太阳能电池、光电探测器、光电显示器等器件中。
石墨烯的独特光学性质还使其成为制备超薄光学元件的理想材料，如超薄透镜、纳米光栅等。
3. 材料领域石墨烯具有极高的强度和韧性，可以制备出各种高性能的复合材料。
这些复合材料具有优异的力学性能和导电性能，在航空航天、汽车制造、建筑材料等领域有着广泛的应用前景。
石墨烯还可以用于制备高性能的防腐涂料、抗静电材料等。
4. 生物医学领域石墨烯具有良好的生物相容性和生物活性，可以用于制备生物传感器、药物载体、组织工程支架等生物医学器件。
研究表明，石墨烯及其衍生物在癌症治疗、基因传递、细胞成像等方面具有巨大的潜力。
石墨烯的发展趋势1. 大规模制备技术目前，石墨烯的大规模制备技术仍是一个世界性难题。
传统的机械剥离法和化学气相沉积法虽然可以制备出高质量的石墨烯样品，但是成本高、产量低，无法满足广泛应用的需求。
发展低成本、高效率的石墨烯大规模制备技术是当前的重点研究方向。
2. 功能化修饰技术石墨烯的很多优异性能是由其特殊的二维结构所决定的，但是这也使得石墨烯在某些方面表现出一定的局限性，比如化学稳定性差、易团聚等。
石墨烯的应用前景与挑战
石墨烯的应用前景与挑战石墨烯是近年来备受瞩目的材料之一，它被誉为一个“奇迹材料”，拥有极高的导热、导电性能、机械强度和透明性等特点，被认为可以广泛应用于电子、能源、生物医学、环境保护等领域。
一、石墨烯的应用前景1. 电子领域石墨烯因其卓越的电子性能被认为是电子领域的一个重要材料。
它具有非常高的电子迁移率，可以用来制造高性能场效应晶体管，使得电子元件的速度和功耗都有了极大的改进。
此外，石墨烯还具备优秀的光学特性，可以用于制作高性能的显示器、灯具、太阳能电池等。
2. 能源领域石墨烯在能源领域的应用前景也非常广阔。
石墨烯的导电性能使得它可以被用于锂离子电池、超级电容器等电池的制造中，让电池的发电效率有了较大提升。
另外，石墨烯还可以用于太阳能电池领域，可以显著提高太阳能电池的光电转换效率，从而达到更高的发电功率。
3. 生物医学领域石墨烯在生物医学领域的应用前景也非常受瞩目。
由于石墨烯具有高度透明性和生物相容性，在生物材料中的应用极为广泛，可以用于生物材料的制造和人体组织的修复。
此外，石墨烯还可以利用其导电性能制造出高灵敏的生物传感器，使得医疗筛查过程更为快速和准确。
4. 环境保护领域随着环境问题日益严重，石墨烯在环境保护领域的应用越来越受到重视。
石墨烯可以制造出高效的净水设备，可用于废水处理或海水淡化。
同时，石墨烯还可以用于制造防辐射服、空气净化器等环保设备，提高环境净化的效率。
二、石墨烯面临的挑战目前，石墨烯制造成本较高，使得它在大规模生产和应用方面面临很大的挑战。
为了解决这个问题，科学家们正在研究各种新的制备技术，以使得石墨烯的生产成本降低。
2. 稳定性问题石墨烯的稳定性也是一个重要的挑战。
由于石墨烯是一个十分薄且容易损坏的材料，因此在制造和使用过程中需要格外小心。
科学家们正在研究各种方法来提高石墨烯的稳定性，以便更安全地应用它在各种领域中。
3. 处理技术问题石墨烯的处理技术也是一个值得关注的挑战。
石墨烯在锂离子电池负极材料中的应用研究进展
石墨烯在锂离子电池负极材料中的应用研究进展结合当前利用石墨烯材料特殊二维结构、优良物理化学特性来改善锂离子电池较低能量密度、较差循环性能等缺陷的研究热点，综述石墨烯材料及石墨烯复合材料在锂离子电池负极材料中的应用研究进展，指出现有电极材料的缺陷和不足，讨论作为锂离子电池电极的石墨烯复合材料结构与功能调控的重要性，并简要评述石墨烯在相关领域中所面临的挑战和发展前景。
标签：石墨烯;锂离子电池;负极材料石墨烯是一种结构独特并且性能优异的新型材料，它是由碳原子以sp2杂化连接的单原子层二维蜂窝状结构，被认为是富勒烯、碳纳米管和石墨的基本结构单元[1，2]。
由于石墨烯具有高导电性、高导热性、高比表面积、高强度和刚度等诸多优良特性，在储能、光电器件、化学催化等诸多领域获得了广泛的应用，特别是在未来实现基于石墨烯材料的高能量密度、高功率密度应用有着非常重要的理论和工程价值。
理想的石墨烯是真正的表面性固体，其所有碳原子均暴露在表面，具有用作锂离子电池负极材料的独特优势：（1）石墨烯具有超大的比表面积，比表面积的增大可以降低电池极化，减少电池因极化造成的能量损失。
（2）石墨烯具有优良的导电和导热特性，即本身已具有了良好的电子传输通道，而良好的导热性确保了其在使用中的稳定性。
（3）在聚集形成的宏观电极材料中，石墨烯片层的尺度在微纳米量级，远小于体相石墨的，这使得Li+在石墨烯片层之间的扩散路径较短;而且片层间距也大于结晶性良好的石墨，更有利于Li+的扩散传输。
因此，石墨烯基电极材料同时具有良好的电子传输通道和离子传输通道，非常有利于锂离子电池功率性能的提高。
1 石墨烯直接作为锂离子电池负极材料商业化锂离子电池石墨负极的理论容量为372 mAh/g。
为实现锂离子电池的高功率密度和高能量密度，提高锂离子电池负极材料的容量是一个关键性问题。
无序或比表面积高的热还原石墨烯材料具有大量的微孔缺陷，能够提高可逆储锂容量。
因此，相对石墨材料，石墨烯的储锂优点有：（1）高比容量：锂离子在石墨烯中具有非化学计量比的嵌入?脱嵌，比容量可达到700～2000 mAh/g，远超过石墨材料的理论比容量372 mAh/g（LiC6）;（2）高充放电速率：多层石墨烯材料的面内结构与石墨的相同，但其层间距离要明显大于石墨的层间距，因而更有利于锂离子的快速嵌入和脱嵌。
石墨烯在锂电池中的应用研究资料
石墨烯在锂电池中的应用研究资料石墨烯是一种由碳原子构成的单原子厚的二维材料，具有良好的导电性、热导性和力学性能，因此在电池领域具有广阔的应用前景。
本文将从石墨烯在锂电池正负极材料以及电解液中的应用角度，综述石墨烯在锂电池中的研究进展。
一、石墨烯在锂电池正极材料中的应用研究锂离子电池的正极材料主要有锂钴酸盐（LiCoO2）、锂铁磷酸盐（LiFePO4）等。
石墨烯在锂电池正极材料中的应用主要体现在两个方面：增强材料的导电性和改善电化学性能。
1.增强材料的导电性：石墨烯具有优异的电导率，将其与正极材料进行复合可以显著提高其导电性能。
例如，将石墨烯与LiCoO2进行复合制备出的复合材料可以提高锂离子的扩散速率和材料的导电性能，从而提高了锂电池的放电容量和循环寿命。
2.改善电化学性能：石墨烯与正极材料之间的复合可以提高材料的电化学性能。
石墨烯不仅可以增加正极材料的导电性，还可以改善其电化学反应的动力学过程，减小锂离子的插入／脱出电阻。
因此，利用石墨烯与正极材料的复合可以提高正极材料的容量、循环寿命和功率密度。
二、石墨烯在锂电池负极材料中的应用研究锂离子电池的负极材料主要有石墨等。
石墨烯在锂电池负极材料中的应用主要体现在以下几个方面：提高材料的电子传导性、增加锂离子的扩散速率、改善循环稳定性以及抑制锂金属的钝化现象。
1.提高电子传导性：石墨烯与石墨等负极材料的复合可以提高材料的电子传导性，从而降低电阻，改善电池的功率输出性能。
2.增加锂离子的扩散速率：石墨烯具有二维结构，可以提供更多的锂离子插入位点，增加锂离子的扩散速率，提高电池的充放电速度。
3.改善循环稳定性：石墨烯与石墨等负极材料的复合可以形成更稳定的结构，抑制材料的体积膨胀，从而提高电池的循环寿命。
4.抑制锂金属的钝化：在锂金属负极中加入石墨烯可以改善锂电池的充放电性能，减少锂金属负极表面的簧曲现象，提高电池的循环寿命。
三、石墨烯在锂电池电解液中的应用研究1.增加电解液的导电性：将石墨烯引入锂离子电池的电解液中可以提高电解液的导电性，减小电池的内阻，提高电池的放电容量和功率密度。
石墨烯在柔性锂离子电池中的应用及前景_闻雷
急剧下降. 为了克服这些问题, 可拉伸锂离子电池需 要对电极的极片结构重新设计, 从而缓冲拉伸变形 导致的材料本身断裂. 从电极极片结构设计角度, 目 前已提出3种方法以实现锂离子电池在一定范围的 拉伸变形, 主要包括: (1) 预置拉伸波浪结构(prestrained wave structural)极片[18~20]; (2) 互穿岛状结构 (interconnect-island mesh)[21,22]; (3) 纤 维 结 构 电 极 (textile structural)[23~26], 其结构模型如图2所示. 本文 主要集中于石墨烯材料在可弯折锂离子电池中的应 用, 分别从石墨烯结构特点及作用来分析石墨烯弹 性可弯曲锂离子电池的现状和发展前景.
1 柔性锂离子电池的典型变形方式
作为新型的储能器件类型, 柔性锂离子电池目 前尚没有明确的定义. 根据变形的特点, 固体在受力 过程中的力学行为可分为弹性和塑性变形2个明显不 同的阶段. 材料在外力作用下产生变形, 当外力取消
后, 材料变形即可消失并能完全恢复原来形状的变 形称为弹性变形. 而塑性变形是指固体在一定的条 件下, 在外力的作用下产生形变, 当施加的外力撤除 或消失后该物体不能恢复原状的变形. 因此相比常 规锂离子电池, 柔性锂离子电池一般指的是在一定 程度的弹性变形范围内可正常工作, 在外力消失后, 能逐渐恢复原来形状的锂离子电池, 并且保持性能 不发生变化, 也就是具有可逆变形能力同时可正常 工作的锂离子电池.
表1列出了锂离子电池中的典型材料体系及其最 大弹性应变, 作为比较, 碳纳米管(CNT)和石墨烯的 力学性能也在表中列出.
从表1可以看出, 相对于正负极材料, 封装材料 和凝胶电解质具有较好的弹性变形能力. 而正负极 材料, 如LiCoO2, Si负极等, 均为脆性材料, 最大弹 性应变均小于0.5%. 但并不意味着传统脆性正负极
石墨烯的应用与前景
石墨烯的应用与前景石墨烯是由一个原子层的碳原子构成的，具有高强度、超导电性、透明度和导电性能等一系列优异的物理和化学特性。
因此在各个领域都有广泛的应用与前景。
一、电子学领域石墨烯是一种大量的电荷载流子、高电场弥散和快速响应的物质。
因此石墨烯在电子学领域中拥有广泛应用。
例如，石墨烯的相对高导电性使其成为电子器件中的Ide设备（具有相对恒定电流的二极管），这对于低功耗数据存储和通信设备非常有用。
同时，石墨烯也可以作为提高电极性能的材料和作为柔性电极，可以用于制造更可穿戴的电子设备。
二、能源领域石墨烯具有出色的电导性，所以可以作为电动汽车电池的电极。
进一步，能够利用其负载、间隙和能隙等特性来设计一个更具有灵活、可扩展和定制化的电池。
此外，石墨烯的巨大重新表面积和持久的着色效应使其成为有望用于太阳能电池的透明导电层。
三、食品包装领域石墨烯的透明度、条纹排列、生物稳定性和抗污染识别特性是从存储食品物品等应用中实现精确识别和处理的时候非常有用的。
例如，可以使用石墨烯制造的新型智能包装材料来监测食品中的可能的变质和细菌，可以在食品开始变质的情况下自动发出警报，这样可以保证食品的安全。
四、防护领域石墨烯通过增加材料的厚度、缩短响应时间、降低质量等方式影响热传导率，使其成为热保护领域的理想材料。
同时，由于石墨烯对紫外线的吸收能力，因此可以通过将其添加到防晒霜中来制造更加有效的紫外线保护剂。
五、医药领域石墨烯在医药领域中有很多应用，例如可以作为药物载体、比传统方法更有效地传递药物到病灶处。
此外，石墨烯还可以应用于生物传感器和医学成像领域，被广泛应用于生物样品的制备和调制、肿瘤细胞的检测和诊断，并广泛应用于临床。
尽管石墨烯还需要在不断的研究中进一步开发，但是有其显著的物理和化学特性，使其在大量的各个领域拥有巨大的潜力，预示着石墨烯的应用市场未来仍有无限可能。
石墨烯在锂离子电池中的应用
220管理及其他M anagement and other石墨烯在锂离子电池中的应用唐 佳（宁德新能源科技有限公司，福建 宁德 352100）摘 要：本文介绍了石墨烯在锂离子电池中的应用，石墨烯作为新型碳材料既可取代石墨负极以提升负极材料的克容量，又可作为导电剂提升正极材料的导电性，也可作为添加剂改善Li-S 等新型电池的膨胀等问题，本文还对石墨烯未来的应用进行了展望。
关键词：石墨烯；锂离子电池；导电剂；添加剂中图分类号：TM912 文献标识码：A 文章编号：11-5004（2020）13-0220-2收稿日期：2020-07作者简介：唐佳，女，生于1988年，汉族，湖南衡阳人，博士研究生，工程师，研究方向：负极材料。
1 介绍石墨烯是目前已知最薄和最坚硬的纳米材料。
其强度是钢铁的20倍，且拉伸20%不断裂。
石墨烯的热导性高于碳纳米管和金刚石，其数值高达5300W/m·K。
在常温下，它的电子迁移率高于碳纳米管和硅，其迁移率大于15000cm2/V·s，并且其阻抗只有10-8Ω·m，是世界上阻抗最低的材料。
石墨烯优异的电子迁移率和极低的阻抗为其在锂离子电池中应用提供了可能。
因此，石墨烯在锂离子电池中的应用备受关注[1-3]。
2 石墨烯在负极中的应用石墨烯拥有巨大的比表面积和优异的电性能是其可作为锂离子电池负极材料的关键之一。
锂电池负极材料的主要种类有天然石墨，人造石墨，中间相炭微球及其他类型，其成本约占电芯成本的15%。
是石墨类结构由于其高导电性、稳定的层状结构、锂离子脱嵌性能好等优势成为了首先被应用于锂离子电池的碳负极材料。
但其理论比容量仅为372mAh/g [4]。
而石墨烯除了与石墨相同的层间嵌锂外，由于其巨大的表面积还可以实现锂离子在石墨烯片层两端嵌锂，因此被认为石墨烯的理论容量为740mAh/g，为传统石墨材料的两倍[5]。
Yoo E [6]等以氧化还原法制备石墨烯用于锂离子电池负极材料，实验结果显示首次循环的比容量为540mAh/g，相较石墨容量有明显的提升。
石墨烯材料在锂离子电池中的应用
石墨烯材料在锂离子电池中的应用石墨烯是一种由碳原子排列成的二维材料，具有优异的导电性、导热性和机械性能。
这些特点使得石墨烯成为一种理想的电化学材料，特别适合用于储能设备中。
在锂离子电池中，石墨烯可以应用于电极材料、导电添加剂以及隔膜材料等方面。
石墨烯作为电极材料可以大幅提高锂离子电池的储能密度和循环寿命。
传统的锂离子电池主要采用石墨作为负极材料，但是其容量有限，循环寿命也不够长。
而采用石墨烯材料可以大大提高负极的比容量和循环寿命，从而提高整个电池的能量密度和稳定性。
石墨烯具有极高的比表面积，可以提供更多的储存空间，同时其优异的导电性和机械性能可以保持电极的稳定性和循环寿命。
石墨烯作为导电添加剂可以改善正极材料的导电性和循环稳定性。
正极材料是锂离子电池中的另一个关键部件，其导电性对电池性能至关重要。
石墨烯作为导电添加剂可以有效提高正极材料的导电性，从而提高电池的充放电效率和循环稳定性。
加入石墨烯可以有效抑制正极材料在循环过程中的体积膨胀，从而减小电极材料的损耗，延长电池的使用寿命。
石墨烯也可以应用于锂离子电池的隔膜材料中。
隔膜是电池中起着隔离正负极、防止短路的关键组件。
传统的隔膜材料通常采用聚合物薄膜，但其导电性能和机械性能有限。
而采用石墨烯制备的隔膜可以提高其导电性能，同时具有优异的机械强度和热稳定性，可以大大提高电池的安全性和循环稳定性。
石墨烯在锂离子电池中的应用可以大大提高电池的能量密度、循环稳定性和安全性。
目前石墨烯在锂离子电池中的商业化应用还面临一些挑战，主要包括生产成本高、大规模制备难等问题。
未来，随着石墨烯生产工艺的进一步改进和成本的降低，相信石墨烯在锂离子电池中的应用前景将会更加广阔。
石墨烯材料及其锂离子电池中的应用
石墨烯材料及其锂离子电池中的应用石墨烯是一种由碳原子单层排列而成的二维材料，具有很多出色的性质，如高导电性、高热导性、高拉伸强度和超薄透明性。
这使得石墨烯在很多领域中有着广泛的应用，其中之一就是锂离子电池。
锂离子电池是目前最常用的可充电电池之一，主要用于手机、电动车等便携设备中。
石墨烯在锂离子电池中的应用主要集中在负极材料和电解液增塑剂方面。
首先，石墨烯可以作为锂离子电池负极材料的添加剂。
传统的锂离子电池负极材料是石墨，但石墨烯的引入可以显著提高电池的性能。
石墨烯具有高导电性和高化学稳定性，可以增加负极材料的电子传导性和储存锂离子能力。
此外，石墨烯还可以提高电池的循环寿命和安全性能，减少电池在充放电过程中的容量衰减和短路的风险。
另外，石墨烯可以作为锂离子电池电解液的增塑剂。
锂离子电池的电解液通常使用有机溶剂，但这些有机溶剂在高温下易燃易爆，降低了电池的安全性能。
石墨烯可以作为增塑剂添加到电解液中，提高电解液的热稳定性和安全性。
此外，石墨烯还可以增加电解液的离子传导性能，提高电池的充放电速率和功率密度。
除了在锂离子电池中的应用，石墨烯还有其他很多潜在的应用领域。
例如，石墨烯可以用于超级电容器，其高电导性和大表面积有助于提高超级电容器的能量密度和充放电速率。
石墨烯还可以用于传感器领域，其高灵敏度和速度可以用于气体、湿度和压力等传感器的制备。
此外，石墨烯也可以应用于光电子学、催化和材料强化等领域。
总结起来，石墨烯在锂离子电池中的应用主要包括负极材料的添加剂和电解液的增塑剂。
石墨烯的引入可以提高电池的性能、循环寿命和安全性能。
除了锂离子电池，石墨烯还有许多其他潜在的应用领域，这使得石墨烯成为当前材料科学研究的热点之一、随着石墨烯技术的进一步发展和成熟，相信其在各个领域中的应用前景将会更加广阔。
石墨烯在锂离子电池电极材料中的应用
石墨烯在锂离子电池电极材料中的应用沈文卓;郭守武【摘要】随着电子产品的普及,对锂离子电池的可逆容量、倍率充放电能力和循环稳定性提出了更高的要求.石墨烯由于其独特的电子共轭态和单一的原子层结构,具有优越的电子迁移性、大的表面积和良好的热和化学稳定性.因此,众多研究者致力于借助石墨烯的独有特性来改善锂离子电池正极和负极材料的综合电化学性能.本文对石墨烯在锂离子电池正负极材料中的应用情况以及面临的主要问题做了简要综述.%It is challenging to develop lithium ion batteries (LIBs) possessing simultaneously large reversible capacity,high rate capability,and good cycling stability.Graphene sheets,owing to the unique electronic conjugate state within the basal plane and also the single atomic layered morphology,have superior electronic mobility,large surface area,and decent thermal and chemical stability.Hence,many works have been devoted to the improvements of the cathode and anode materials with graphene.In the work,the achievements and the main problem in the area are overviewed.【期刊名称】《电子元件与材料》【年(卷),期】2017(036)009【总页数】4页(P79-82)【关键词】石墨烯;正极材料;综述;负极材料;电化学性能;锂离子电池【作者】沈文卓;郭守武【作者单位】上海交通大学电子信息与电气工程学院,上海200240;上海交通大学电子信息与电气工程学院,上海200240【正文语种】中文【中图分类】O613.71与其他种类的二次电池相比，锂离子电池具有高能量密度、高电压、无记忆效应、低自放电率等优点[1-2]，在日用电子产品（如手机、手提电脑、摄像机、电玩）、电动汽车(EV/PHEV/HEV)以及储能电站等领域得到普遍应用。
石墨烯材料在锂离子电池中的应用
石墨烯材料在锂离子电池中的应用
石墨烯是一种由单层碳原子构成的二维蜂窝状晶格结构材料，具有多种优异的物理和化学特性，因此被广泛应用于多个领域，包括锂离子电池。
石墨烯材料可以作为电池负极材料。
传统的锂离子电池负极材料是石墨，但石墨烯具有更高的电导率和更大的比表面积，可以提高电池的充放电性能。
石墨烯的高电导率可以降低电极材料的内阻，提高电流传输速度，从而增加电池的充电速率。
而石墨烯的高比表面积可以提供更多的活性材料与锂离子进行反应，增加充电容量和功率密度。
石墨烯还具有出色的机械强度和化学稳定性，可以提高电池的循环寿命和安全性能。
石墨烯材料可以作为电池隔膜材料。
锂离子电池中的隔膜用于防止正负极直接接触，防止短路和过热等安全问题。
传统的电池隔膜材料是聚合物薄膜，但石墨烯具有高渗透性和高机械强度，可以提高电池的渗透性和机械稳定性。
石墨烯还具有优异的热导率和耐化学腐蚀性，可以提高电池的散热性能和耐受性能。
石墨烯材料还可以作为电池电解液添加剂。
锂离子电池的电解液是电池中起到导电和传输锂离子的关键组分。
传统的电解液是有机溶液，但石墨烯可以通过其高比表面积和活性表面吸附锂离子，提高电解液的离子导电性和锂离子传输速率。
石墨烯还可以提供更多的储锂位点，增加电池的储能密度和容量。
石墨烯材料在锂离子电池中的应用具有重要意义。
它可以作为电池负极材料，提高电池的充放电性能；可以作为电池隔膜材料，提高电池的安全性能；可以作为电池电解液添加剂，提高电池的导电性能和锂离子传输速率。
石墨烯的应用为锂离子电池的性能改进和应用拓展提供了新的途径，对于电动汽车、储能等领域的发展具有重要意义。
石墨烯的应用前景及未来发展
石墨烯的应用前景及未来发展石墨烯是一种由碳原子组成的单层二维材料，具有高度的力学强度、导电性和热传导性等特性，被誉为“二十一世纪的奇迹材料”。
自2004年被发现以来，石墨烯在诸多领域取得了重大突破，未来其应用前景更为广阔。
本文将探讨石墨烯在能源、环保、医疗、电子、材料五大领域的应用前景及未来发展。
一、能源领域石墨烯在能源领域的应用主要包括太阳能电池、储能材料、燃料电池等方面。
石墨烯的高导电性和良好的导热性使其成为制作高效太阳能电池的材料之一。
同时，石墨烯的大表面积和高比表面积使其成为制作高效储能材料的理想选择。
另外，在燃料电池中，石墨烯的导电性和热传导性可以优化燃料电池的性能，并延长其使用寿命，具有重要应用价值。
二、环保领域石墨烯在环保领域的应用主要包括污染物检测、废水处理等方面。
由于其极高的表面积和出色的电化学性能，石墨烯可以作为高灵敏的传感器材料，配合其与不同物质之间的化学及生物相互作用，可以检测并分析各种污染物质。
同时，利用石墨烯的过滤功能和分离性能，可以将废水中的杂质进行有效去除和分离，使得废水得到有效治理和再利用。
三、医疗领域石墨烯在医疗领域的应用主要包括智能药物输送、生物成像、医疗纳米材料等方面。
具有高度特异性和生物相容性的石墨烯纳米材料可以作为新型药物输送系统，帮助药物在体内更加准确地定位和释放。
此外，基于石墨烯材料的荧光探针可以在疾病检测和生物成像方面发挥重要作用，实现常规影像诊断的超越。
四、电子领域石墨烯在电子领域的应用主要包括电子器件、柔性电子等方面。
石墨烯具有较高的电子迁移率以及极薄的厚度，这些特点使其成为制作高性能电子器件的理想材料。
同时，石墨烯的柔性性使其适用于制作柔性电子，为可穿戴显示、柔性传感器等领域带来了新的发展机遇。
五、材料领域石墨烯在材料领域的应用主要包括复合材料、涂层材料等方面。
将石墨烯纳入复合材料中，可以显著提高其性能，并拓展其应用范围。
例如，将石墨烯与基板材料复合，可以提高基板的力学强度和耐磨性，同时还可以提高复合材料的导电性和导热性。
石墨烯在锂电池中的应用研究
石墨烯在锂电池中的应用研究石墨烯是一种由碳原子组成的二维晶体材料，具有出色的导电性、热导性、机械强度和化学稳定性。
由于其优异的性能，石墨烯在各个领域都引起了广泛的研究兴趣。
在锂电池领域，石墨烯也被认为是一种有潜力的材料，可用于提高锂电池的性能和稳定性。
首先，石墨烯可以作为锂离子电池负极材料来替代传统的石墨材料。
石墨烯具有高电导率和大的比表面积，使其具有优异的电化学性能。
相比传统石墨材料，石墨烯具有更高的锂离子嵌入/脱嵌容量和更快的离子传输速率。
因此，利用石墨烯作为负极材料可以提高锂离子电池的容量和循环寿命。
其次，石墨烯可用作锂离子电池正极材料的添加剂。
石墨烯的加入可以改善正极材料的电化学性能，如提高材料的电导率、缓解电极材料和电解液之间的应力差异以及提高电极材料的稳定性。
同时，石墨烯还可以增加电极材料的比表面积，提供更多的嵌锂位点，从而提高锂离子电池的容量。
此外，石墨烯还可以用于改善锂离子电池的界面问题。
锂电池往往存在电解液和电极材料之间的界面问题，如电解液的溶解、电解液的浸润性和锂离子的扩散等。
石墨烯可以通过覆盖在电极表面来改善界面问题，形成稳定且一致的电解液/电极界面，提高电极材料和电解液的相互作用能力，从而提高锂离子电池的性能和稳定性。
总之，石墨烯在锂离子电池中具有广泛的应用研究前景。
通过利用石墨烯的优异性能，可以显著提高锂离子电池的容量、能量密度、循环寿命和安全性。
然而，目前还存在一些困难和挑战，如大规模制备石墨烯、石墨烯的稳定性和与锂离子电池体系中其他元素的相互作用等问题。
因此，需要进一步开展研究来解决这些问题，并将石墨烯应用于实际的锂离子电池系统中。
石墨烯在锂电池中的应用
石墨烯在锂电池中的应用墨烯具有10倍于商用硅片的高载流子迁移率（15000cm2/V•s)，导电性能优越，尤其适用与制造锂电池导电添加剂、锂电池正负极复合材料等锂电池材料。
此外，石墨烯电极复合材料及导电添加剂能有效改善电极循环性能：加入石墨烯的磷酸铁锂正极复合材料，循环100周后，可逆比容量为纯LiPO4电极的1.4倍。
石墨烯在电池中的应用1.作为导电剂锂离子电池充放电是通过锂离子在正负极的脱嵌反应来实现的。
具体表现为，充电时正极锂离子脱插，负极锂离子嵌入；放电时正极锂离子嵌入，负极锂离子脱插。
在这个过程中，嵌入与脱插的锂离子越多，电池容量越大。
其充放电速度主要由锂离子在电极中的传输和脱嵌速度来决定。
所以如果电极材料中电子和锂离子传导通道越多，其充电速度就越快。
传统锂离子电池无法进行快速充电，主要受限于锂电池正负极导电性能不足，无法同电子进行充分反应，反应层集中在表面影响内部电极的反应，导致锂离子短时间内脱嵌速度不足，无法形成大电流，间接影响锂离子扩散系数，同时受限于高倍率充电下电池寿命的衰减。
而且传统电池在工作时会在电极表面形成一层固体电解质膜，阻挡了锂离子的“脚步”，进而减慢了锂离子的运输速度。
锂离子电池的正极材料主要有钴酸锂、锰酸锂、三元和磷酸铁锂等。
石墨烯在正极材料中属于面点接触，具有优异的导电性能，可以作为其电极的导电剂，优异于作为点点接触的常规导电剂。
锂电池有个性能叫做倍率性能，用C来衡量。
假设一块锂电池的容量是3000mAh，那么1C就是用3000mA的电流给它充电，一小时充满；2C就是用6000mA的电流充电，半小时充满。
续航与电量正相关的情况下，充到支持相同续航里程的电量，倍率性能大的电池充电时间更短。
电芯在快充时，主要的技术难点为锂离子在正极的快速脱离，在电解液的传输以及在负极的嵌入，其中相对重要的是要求正负极具有良好的导电性，可以在短时间进行大规模化学反应，这样电子的扩散速度加快，增加了锂离子的脱嵌和嵌入速度。
新型材料在电池技术中的应用
新型材料在电池技术中的应用随着科技的不断发展，电池作为储存能量的重要设备，在各个领域扮演着至关重要的角色。
近年来，新型材料的开发与应用已经成为电池技术领域的热点。
本文将探讨新型材料在电池技术中的应用，并对其带来的影响进行评估。
一、石墨烯在锂离子电池中的应用石墨烯作为二维碳纳米材料的代表，具有很高的电导率和导热性能，因此在电池技术中具有广泛的应用前景。
在锂离子电池中，石墨烯可以作为电极材料，用于提高电池的性能。
它不仅可以增加电池的导电性，还可以提高电池的储能密度，延长电池的寿命。
二、硅基材料在锂离子电池中的应用硅是一种具有很高容量的材料，但由于其体积变化较大，使用硅作为电池材料会引起电池膨胀，从而降低电池的寿命。
然而，通过改进硅的结构和控制硅的体积变化，科学家们已经成功地将硅应用于锂离子电池中。
硅基材料可以显著提高电池的能量密度，延长电池的使用时间，并且具有很好的循环稳定性。
三、氧化钠在钠离子电池中的应用近年来，钠离子电池作为一种新型的能量储存装置备受关注。
与传统的锂离子电池相比，钠离子电池具有储能成本较低、储能容量大等优点。
氧化钠作为一种重要的正极材料，在钠离子电池中具有广泛的应用。
氧化钠可以提供高容量和稳定的循环性能，因此在未来的钠离子电池中具有巨大的潜力。
四、多孔材料在超级电容器中的应用超级电容器作为一种高能量密度、高功率密度的能量储存装置，广泛应用于电子设备和新能源领域。
而多孔材料作为超级电容器中的重要组成部分，在提高电容器性能方面起着重要作用。
多孔材料具有较大的比表面积和孔隙结构，可以提供更多的储能场所，从而提高超级电容器的能量密度和功率密度。
总结起来，新型材料在电池技术中的应用为电池的性能提供了巨大的提升空间。
石墨烯、硅基材料、氧化钠和多孔材料等新型材料在电池技术中的应用，不仅能够提高电池的能量密度、延长电池的使用寿命，还可以降低电池的成本，推动电池技术的进一步发展。
然而，新型材料在电池技术中的应用仍面临一些挑战，如材料的制备成本、循环稳定性等问题需要进一步解决。
石墨烯在锂电池行业应用发展浅析
石墨烯在锂电池行业应用发展浅析石墨烯是一种具有特殊结构的纳米材料，它是由单层碳原子以六边形结构构成的二维晶体。
由于其特殊的物理、化学及电学特性，石墨烯被广泛应用于各个领域，包括能源存储与转换领域的锂电池。
1.提高锂电池的电容量：石墨烯作为锂电池负极材料的添加剂，能够显著提高锂离子在负极材料中的嵌入/脱嵌效率，进而提高锂电池的电容量。
石墨烯的高导电性和大比表面积可以增加锂离子在负极材料中的扩散速率，从而提高电池的充放电性能。
2.提高锂电池的循环寿命：锂电池在反复充放电过程中，极材料会发生结构破坏和粉化，导致循环寿命下降。
石墨烯作为添加剂可以有效抑制极材料的结构破坏，增强其稳定性，从而延长锂电池的循环寿命。
3.提高锂电池的快速充放电性能：石墨烯具有极高的电子迁移率和较低的电阻，这种特性使得石墨烯成为提高锂电池快速充放电性能的理想材料。
石墨烯的导电性和快速电荷传输能力可以实现锂电池快速充电，同时也可以提高电池在高功率耗散下的放电性能。
4.提高锂电池的安全性能：锂电池的安全性问题一直是制约其大规模应用的关键因素之一、石墨烯作为锂电池阳极材料的添加剂，能够提高电池的热稳定性，降低电池的过热和起火的风险。
尽管石墨烯在锂电池行业的应用发展前景广阔，但目前仍面临一些挑战和问题。
首先，石墨烯的大规模制备成本较高，且生产过程中难以实现规模化生产。
其次，石墨烯的稳定性较差，在锂电池中容易发生剥离和聚集现象，降低了其应用效果。
此外，石墨烯与锂离子之间的相互作用机制还需要进一步研究和理解。
综上所述，石墨烯在锂电池行业的应用发展前景广阔，有望改善锂电池的电容量、循环寿命、快速充放电性能和安全性能。
未来的研究重点应该放在石墨烯大规模制备技术的研发、石墨烯与锂离子之间的相互作用机制的解析以及石墨烯与其他功能材料的协同效应等方面。
通过进一步的研究和开发，石墨烯有望成为锂电池领域的重要创新材料。
石墨烯在锂离子电池中的应用综述
石墨烯在锂离子电池中的应用
学生姓名 贾凯洋
指导教师 杨贵进
西北师范大学物理与电子工程学院
2019/4/12
物理与电子工程学院本科生毕业论文答辩
目 录
选题背景
石墨烯的制备和性质
石墨烯在锂离子电池中的应用 石墨烯在锂离子电池中应用的总结及前景 展望
2019/4/12
2019/4/12
物理与电子工程学院本科生毕业论文答辩 表1.石墨烯改性正极材料的简要制备方法
正极材料 LiFePO4
石墨烯在锂离子电池正极材料中的应用
共沉淀法 + 热处 理 水热法+热处理 喷雾干燥 + 热处 理 溶胶-凝胶法 水解+溶剂热法 2~5μm 280
复合方法
Li3V2(PO4遇到的问题的基本途径之一
石墨烯因其优异的性能在锂离子电池电极材料的选择中被广 泛关注
2019/4/12
物理与电子工程学院本科生毕业论文答辩
锂离子电池工作原理
图1 锂离子电池工作原理示意图 2019/4/12
物理与电子工程学院本科生毕业论文答辩
锂离子电池的应用
电压高、能量密度 大、循环性能好、 自放电小、无记忆 效应
物理与电子工程学院本科生毕业论文答辩
石墨烯做锂离子电池负极材料的问题
制备过程石墨烯片层极易堆积
石墨烯首次充放电库伦效率低
石墨烯循环性能差 石墨烯的其他问题
2019/4/12
物理与电子工程学院本科生毕业论文答辩
石墨烯/锰氧化物复合材料
MnOX+2xLi++2xe2C+Li++e-
石墨烯材料的应用前景和挑战
石墨烯材料的应用前景和挑战石墨烯是一种新兴的纳米材料，是纯碳原子的二维晶格，拥有许多独特的性质。
自从2004年被发现以来，在科学和工业应用领域引起了极大的关注。
石墨烯的应用前景广阔，但其中也存在着一些挑战。
本文将分析石墨烯材料的应用前景和挑战。
一、石墨烯的应用前景石墨烯具有很多优异的物理和化学性质，如极高的电导率、强度、韧性和导热性等。
由于这些特性，石墨烯能够被应用在各种领域。
1. 电子领域石墨烯的最大应用可能就是在电子领域。
石墨烯具有极高的电导率和电子迁移率，可用于制造超薄、高速和低功耗的电子元件。
它可以被用于制造晶体管、振荡器、传感器、太阳能电池等。
另外，石墨烯还可以用于构建高强度、低密度的纳米电线。
2. 生物医学领域石墨烯在生物医学领域也有许多应用。
由于其高表面积和二维结构，它可以被用于制造药物递送系统，如纳米药物递送载体。
同时，石墨烯还具有良好的生物相容性，可以用于紫外线和红外线光疗、组织工程等。
3. 能源领域石墨烯也有着很大的应用前景在能源领域。
石墨烯和其他材料复合，可以用于制造超级电池和超级电容器。
同时，石墨烯还可以作为太阳能电池中的电极材料。
4. 其他领域除了上述领域，石墨烯还可以应用在诸如航天、化学、材料科学等领域。
二、石墨烯的挑战尽管石墨烯具有很多优异的特性，但它的应用仍然面临着一些挑战。
1. 制备技术仍不完善石墨烯的制备技术向来是一个难题。
尽管制备技术不断改进，但仍然存在一些技术上的挑战。
例如，单层石墨烯的生长需要高温和高真空，这很难在大规模生产中进行。
此外，石墨烯制备过程中容易受到杂质和缺陷的影响。
2. 质量和可靠性不稳定石墨烯材料的质量和可靠性不太稳定。
由于制备工艺、工作环境、物理和化学过程等因素的影响，石墨烯的性质可能会发生变化。
这也使得石墨烯在实际应用中面临着一些挑战。
3. 稳定性和可持续性石墨烯的稳定性和可持续性也是石墨烯面临的挑战之一。
石墨烯很容易受到氧化、水解和光降解的影响，在使用过程中容易失去效果。
石墨烯技术的应用前景
石墨烯技术的应用前景石墨烯是近年来备受关注的材料，具有优异的导电、导热、力学和化学性质。
在科学家们的不懈努力下，石墨烯制备技术已经得到了较大突破，其广泛的应用前景也逐渐显现出来。
一、电子领域随着芯片制造技术的不断提高，电子产品的性能越来越强大。
而石墨烯作为一种优异的导电材料，则是其应用的一个重要方向。
相比传统的金属导线，石墨烯导线具有更小的线径和更好的导电性，可以大大提高电子产品的传输速度和稳定性。
此外，石墨烯的高透明度也使其成为一种优秀的透明导电膜材料，适用于显示器等电子产品的制造。
二、能源领域随着全球能源消耗的不断增加，石墨烯的应用在能源领域也变得越来越重要。
石墨烯电池作为其中的一种应用，具有高能量密度、长寿命、快速充电等优点，将成为未来可再生能源开发的重要技术之一。
此外，利用石墨烯的吸附性能，可以制造高效的污染物吸附材料，可以用于净水、净空等领域。
三、医疗领域石墨烯的化学稳定性和生物相容性，使其在医疗领域具有巨大的应用前景。
利用石墨烯的导电性和高强度，可以制造医疗器械和人工器官等高科技产品。
同时，石墨烯的吸附性能也为生物医学领域提供了新的思路，可以用于抗生素释放、药物输送等方面。
四、材料领域除了以上提到的领域，石墨烯的应用在材料领域也不容忽视。
利用石墨烯的力学特性和吸附性能，可以制造高强度、轻质的复合材料。
同时，石墨烯的导热性能和高表面积特性，使其可以用于制造高效的散热材料。
综合来看，石墨烯的应用前景十分广阔，涵盖了多个重要领域。
尽管目前存在一些瓶颈问题，例如规模化生产、材料稳定性等方面，但相信随着技术的不断提高和研发团队的不懈努力，石墨烯的发展必将迎来前所未有的机遇。
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急剧下降. 为了克服这些问题, 可拉伸锂离子电池需 要对电极的极片结构重新设计, 从而缓冲拉伸变形 导致的材料本身断裂. 从电极极片结构设计角度, 目 前已提出3种方法以实现锂离子电池在一定范围的 拉伸变形, 主要包括: (1) 预置拉伸波浪结构(prestrained wave structural)极片[18~20]; (2) 互穿岛状结构 (interconnect-island mesh)[21,22]; (3) 纤 维 结 构 电 极 (textile structural)[23~26], 其结构模型如图2所示. 本文 主要集中于石墨烯材料在可弯折锂离子电池中的应 用, 分别从石墨烯结构特点及作用来分析石墨烯弹 性可弯曲锂离子电池的现状和发展前景.
材料组成 钴酸锂(LiCoO2) 锰酸锂(LiMn2O4) 磷酸铁锂(LiFePO4)
石墨 钛酸锂(Li4Ti5O12)
硅 聚偏氟乙烯
最大弹性应变 ε (%) ＜0.1[8]
0.1~0.2[9] ＜0.1[8] ＜0.1[8] ＜10.0
聚四氟乙烯 聚丙烯 铝 铜
聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物/甲壳素/高氯酸锂
评述
图 1 柔性电子产品的概念演示图. (a) 柔性显示屏; (b) 可穿戴柔性设备; (c) 柔性智能手表 Figure 1 Demonstration of flexible electronics. (a) Flexible screen; (b) wearable flexible devices; (3) flexible smart watch
631
2015 年 3 月 第 60 卷 第 7 期
材料体系 正极材料
Table 1
负极材料
黏结剂
隔膜 集流体
凝胶电解质 封装材料
柔性封装材料 CNT 薄膜
氧化石墨烯薄膜
表 1 典型的锂离子电池材料体系及其力学性能 Typical materials used in lithium-ion batteries (LIBs) and its mechanical properties
按照变形的难易程度, 目前已报道的柔性锂离 子电池基本变形方式包括以下2种: (1) 弯折; (2) 拉 伸. 这两者组合可以形成非常复杂的操作, 比如扭 曲、折叠等. 大部分报道的柔性储能器件, 均指可实 现部分弯折的柔性器件, 如可弯折柔性锂离子电池、 柔性超级电容器或柔性光伏电池等[2,3,5,6]. 另一种是 可拉伸锂离子电池. 从受力角度来说, 这2个器件差 别不大, 但从实现方式来说可拉伸锂离子电池实现 难度较大, 不仅仅涉及到材料本身, 而且关系到材料 本身的特殊结构的设计[7]. 因此需要从现有材料体系 的受力情况来考虑柔性电化学储能体系的设计.
表1列出了锂离子电池中的典型材料体系及其最 大弹性应变, 作为比较, 碳纳米管(CNT)和石墨烯的 力学性能也在表中列出.
从表1可以看出, 相对于正负极材料, 封装材料 和凝胶电解质具有较好的弹性变形能力. 而正负极 材料, 如LiCoO2, Si负极等, 均为脆性材料, 最大弹 性应变均小于0.5%. 但并不意味着传统脆性正负极
1 柔性锂离子电池的典型变形方式
作为新型的储能器件类型, 柔性锂离子电池目 前尚没有明确的定义. 根据变形的特点, 固体在受力 过程中的力学行为可分为弹性和塑性变形2个明显不 同的阶段. 材料在外力作用下产生变形, 当外力取消
后, 材料变形即可消失并能完全恢复原来形状的变 形称为弹性变形. 而塑性变形是指固体在一定的条 件下, 在外力的作用下产生形变, 当施加的外力撤除 或消失后该物体不能恢复原状的变形. 因此相比常 规锂离子电池, 柔性锂离子电池一般指的是在一定 程度的弹性变形范围内可正常工作, 在外力消失后, 能逐渐恢复原来形状的锂离子电池, 并且保持性能 不发生变化, 也就是具有可逆变形能力同时可正常 工作的锂离子电池.
必须要发展与之适应的轻薄且柔性的新型电化学储 能器件[1,2]. 当前制约锂离子电池无法实现柔性的主 要因素包括[3]: (1) 集流体. 通常采用金属材质, 单位 面积质量大, 且弯折过程中电极材料容易脱落, 弯折 后无法恢复; (2) 电解质. 通常为液体电解质, 在弯 折变形中存在漏液危险, 一般需要刚性材料封装; (3) 制作工艺. 常规锂离子电池一般采用涂覆工艺, 活性 材料之间及活性材料与集流体之间靠黏结剂结合, 其结合强度有限, 反复变形过程易造成材料相互脱 离; (4) 电池形态. 传统锂离子电池一般为圆柱或方 形等简单形状, 内部电池极片采用堆叠或卷绕方式进 行组装, 在变形过程中易导致应力集中而产生破坏.
形成全新的智能终端. 柔性的智能手机和平板电脑 将成为下一代电子产品的主流, 其他可穿戴柔性电 子设备包括智能眼镜、手环、衬衫及鞋等(图1(b))也 将会得到迅猛的发展. 因此, 发达国家纷纷制定了针 对柔性电子的重大研究计划, 如美国FDCASU计划、 日本TRADIM计划、欧盟第七框架计划中PolyApply 和SHIFT计划等, 重点支持柔性显示器、聚合物电子 的材料设计、制造、可靠性、柔性电子器件批量化制 造等基础研究.
2014-10-07 收稿, 2014-12-03 接受, 2015-02-12 网络版发表 国家自然科学基金创新研究群体科学基金(51221264)、中国科学院重大突破择优支持项目(KGZD-EW-T06)、国家自然科学基金(51172242， U1401243)、国家重点基础研究发展计划(2011CB93264, 2014CB932402)和中国科学院战略性先导科技专项(XDA09010104)资助
摘要 随着具有变形功能的移动电子设备的出现和发展, 为其供电的可变形、柔性锂离子电池 近年来受到广泛关注. 柔性锂离子电池一般指具有可逆弹性变形能力, 同时可正常工作的锂离 子电池. 按照变形难易程度, 大部分研究中的柔性锂离子电池, 均指可弯折柔性锂离子电池. 本 文总结了石墨烯在可弯折柔性锂离子电池领域的进展情况. 石墨烯具有很高的电子电导率, 可 将石墨烯附着于高分子、纸、纺织布等柔性基底上, 利用基底提供柔性支撑、力学性能, 石墨烯 提供导电网络, 形成石墨烯/柔性基体复合结构. 利用石墨烯的二维柔性结构及表面官能团, 与 其他材料复合, 能够制备出一体化石墨烯复合柔性电池电极. 石墨烯柔性复合材料作为电极时, 能够提高电池的整体能量密度, 因此具有更广阔的发展前景. 本文同时介绍了柔性锂离子电池 的力学特性和电化学性能表征方法, 并对柔性锂离子电池的未来发展方向进行了预测. 柔性锂 离子电池发展趋势是提高其变形能力, 并赋予柔性锂离子电池一定的可拉伸性能, 以使其适应 各种复杂应用; 新型柔性锂离子电池也将具有自修复和快速充电能力; 未来同时将研究喷涂或 打印等新型柔性电极的制备和器件优化设计. 虽然仍然存在尚待解决的问题, 石墨烯柔性锂离 子电池经过适当的电化学性能和力学性能改进, 将在移动电子领域得到广泛应用.
因此, 柔性储能器件必须发展全新制作工艺, 放 弃常规金属集流体和液态电解液, 发展新型柔性载 体材料为活性物质提供良好的柔性支撑和发展新型 柔性固态电解质. 本文重点集中于讨论柔性电化学 储能材料. 柔性电化学储能材料需要兼顾导电及机 械的柔性2个方面. 具体来讲, 柔性电化学储能材料 不仅需要承受电池、电容器材料自身在电化学过程中 引起的体积变化, 同时还需要器件在机械变形条件 下也能够正常工作[4].
可弯折柔性锂离子电池实现方法相对容易, 可 通过柔性基体支撑粉体活性物质来实现[15~17]. 柔性 基体主要包括CNT薄膜、石墨烯薄膜、纤维素纸、导 电高分子等具有一定强度、导电并能担载活性物质的 材料. 与弯折变形相比, 实现拉伸变形显得尤为困 难. 因为通常常规锂离子电池材料可容许的最大弹 性拉伸应变均较小(LiCoO2: <0.1%; Si: <0.1%; CNT: <3.0%), 不足以实现大幅度的拉伸变形. 因此, 拉伸 过程会导致柔性锂离子电池破坏, 可主要归结为拉 伸变形的2个过程: (1) 材料自身变形能力很弱, 即使 很小的变形也会发生断裂而造成器件整体失效; (2) 活性材料相互脱离, 丧失电接触, 而造成器件的性能
＜10.0 ＜1.0 ＜2.0 ＞4.0[10]
不锈钢
＜1.0
铝塑复合膜(尼龙/铝/聚丙烯)
＜1.0, 按铝计算
聚二甲基硅氧烷
＞50.0 1.4~3.0[11,12]
0.6[13]
材料本身完全无法实现弹性变形. Wei研究组[7]认为, 活性材料在弯折变形过程中所经受的应变一般小于 材料自身的断裂强度. 如对Si材料而言[7], 其最大拉 伸弹性应变约为0.7%. 而根据ε=h/2r×100%(其中ε为 最大拉伸应变, h为厚度, r为弯曲的曲率半径), 当Si 纳米带的h为100 nm时, 只有当r<7 μm, 才会造成Si 纳米线的断裂. 这种程度的弯曲实际上能够满足大 部分实际应用要求(一般柔性电池弯折过程中的曲率 半径不超过1 cm)[14]. 因此可认为, 在大部分可弯折 锂离子电池中, 弯折变形并没有造成材料自身的断 裂, 其容量衰减主要是因为长期或反复弯折变形过 程中, 活性材料颗粒相互脱离而失去电接触.
图 2 (网络版彩色)可拉伸锂离子电池的结构示意图. (a) 互穿岛状 结构[21]; (b) 纤维电极结构[23]; (c) 波浪结构[18] Figure 2 (Color online) Scheme of stretchable LIBs. (a) Interconnect-island mesh configuration[21]; (b) textile structural configuration[23]; (c) wave structural configuration[18]
关键词满足日益增长的对电子产品小型化、多样性 和可变性的需求, 柔性可穿戴的便携式电子产品成 为未来发展的趋势. 近年来, 可卷绕式显示屏的问世 及电子衬衫和卷屏手机等柔性电子产品概念的提出, 不仅引起了广大消费者极大的兴趣和期待, 更引发 了科研工作者对柔性电子技术的研究热潮. 柔性电 子技术即将带来新一轮电子技术革命, 并将对社会 生活方式及习惯产生革命性影响. 图1(a)为三星所展 示的柔性液晶显示屏原型, 图1(c)为概念型智能手 表. 相对于传统移动电子设备, 柔性电子设备除了可 随意弯折外, 还可通过感知所受到应力等变化, 来实 现特定功能, 如拍照和选择网络等, 在不远的未来会