北京航空航天大学《ACS Nano》：综述-石墨烯基材料在柔性锂硫电池的最近进展

成果简介

对可穿戴电子设备日益增长的需求，具有高稳定性和理想能量密度的柔性电池。柔性锂硫电池（FLSB）由于其通过低成本硫的多电子化学具有高理论能量密度而得到越来越多的研究。然而，FLSBs 的实施受到几个障碍的挑战，包括其实际能量密度低、寿命短和灵活性差。各种基于石墨烯的材料已被应用于解决这些问题。石墨烯具有良好的导电性和柔韧性，与其他活性/催化/柔性材料表现出协同作用，形成多功能石墨烯基材料，在FLSBs中发挥着举足轻重的作用。

图 1. (a) 灵活的电池图。应变 (ε) 被选为电池柔韧性的关键指标，取决于厚度 ( h ) 和弯曲半径 ( r )。

(b) 通过E v、ε 和弯曲循环次数对柔性锂电池的性能进行评估。松下、Prologium、华为和Amotech开发的带有金属箔/网收集器的商用FLIB不能满足实际的电子需求。相比之下，具有织物和纸结构的独立电极有可能同时满足E v和 ε 标准。(c) 具有关节状结构的 FLIB 为耳机、智能手表和美容仪器供电的应用。(d) 戴在手臂上为手机充电的锂空气电池的照片。(e) 比较不同电池技术的理论E g和理论E v的条形图。(f) Web of Science 数据库中 2015 年至 2020 年以“Flexible & Lithium-Sulfur Battery”和“Graphene & Flexible & Lithium-Sulfur Battery”为关键词的年度出版物数量。

本文，北京航空航天大学材料科学与工程学院Tian Yang等研究人员在《ACS Nano》期刊发表名为“Graphene-Based Materials for Flexible Lithium–Sulfur Batteries”的综述。在这篇综述中，总结了基于石墨烯的FLSB材料的最新进展（图2）。

首先简要介绍石墨烯和石墨烯基材料的各种配置，然后是 FLSB 中的挑战，并提出同时实现机械性能、能量密度和循环稳定性是关键。

随后，主要内容将集中在石墨烯基材料在 FLSB 的关键部件中的应用，包括柔性硫基正极、柔性锂基负极和柔性夹层——分析强调由于结构设计和石墨烯功效而导致的性能增强。

最后，在迄今为止取得的成就的基础上，提出了未来的展望和个人见解。

图2. 用于FLSB的石墨烯基材料的示意图。

图文简介

2.1 石墨烯和石墨烯衍生物

表 1. 石墨烯基材料的不同复合（杂化）方法的比较。

总之，每种基于石墨烯的材料配置都具有优点和缺点。具有特殊配置的石墨烯基材料的合理设计有助于构建高性能FLSB的关键组件。本综述将从上述四种复合/杂化结构的结构设计、石墨烯功能化和电化学性能的角度讨论石墨烯基材料在FLSBs中的具体应用。

2.2   柔性锂硫电池简介

灵活的关键部件的设计，包括集电体、阴极、夹层、隔膜、阳极和电解质，是 FLSB 的基础。其中，常用的多孔聚合物隔膜具有天然的柔韧性，固态电解质的使用可以防止易燃电解质的泄漏。石墨烯基材料在电解质中的应用在本综述中没有太多讨论，因为它们之间没有直接关系。对于硫基正极，典型的铝箔集电体的塑性和延展性有限。因此，阴极通常被设计为独立结构，既用作硫/锂主体又用作集电器。此外，隔膜和阴极之间的夹层可以抑制穿梭效应并增强反应动力学。最后，关于锂基负极，除了非柔性集电体（铜箔）外，还需要柔性框架或基板来抑制锂失效。已经对这三个关键组件的柔性石墨烯基材料进行了合理设计，因为柔性材料始终是构建柔性设备的关键。在以下部分中，将分别描述基于柔性石墨烯的阴极、夹层和阳极。

图3. 基于石墨烯的柔性阴极设计示意图

图4. 基于石墨烯用于FLSB的夹层

图5. FLSB阳极的挑战

小结与展望

本综述总结了将石墨烯基材料用于 FLSB 中不同组件的进展，包括高质量负载阴极、多功能夹层和限锂阳极。表5显示了基于石墨烯基材料的每个组件的灵活性、电化学性能和开发潜力的每个部分的摘要

总之，FLSBs，尤其是基于石墨烯的FLSBs，近年来取得了很大的进步。在不同石墨烯配置和纳米结构的基础上，进一步研究了硫正极、夹层和锂负极的合理设计策略，为未来的发展奠定了基础。虽然FLSBs的商业化还有很长的路要走，但相信随着纳米材料和电化学的发展，安全可靠、高能量密度的FLSBs将得到迅速发展，其中石墨烯基材料具有特定的物理/化学特性。属性将起到至关重要的作用。

文献：https://doi.org/10.1021/acsnano.1c03183