Review | 碳纳米管和石墨烯基柔性电极材料的应用和结构及不同功能柔性锂离子电池的组装方式

文章亮点

本文系统总结了碳纳米管（Carbon nanotubes, CNTs）和石墨烯（G）在柔性锂离子电池（FLIBs）电极中的应用，包括不同的功能应用和不同温度下的服务。重点说明了不同电极结构，包括粉末，线状和薄膜状等，对其电化学性能的影响。此外，本文还系统评述了CNTs和G基柔性电极组成的FLIBs的组装结构与可弯曲性、可拉伸性、可折叠性、自修复性和自检测性等特殊功能之间的关系。

研究背景及意义

柔性电子产品广泛应用于通信、医疗等多个领域，而高性能FLIBs作为柔性电子设备的电源，发挥着不可或缺的作用。为了克服FLIBs效率低的问题，人们尝试通过增加活性材料来提高能量密度，并通过保持纳米活性材料与其他组分之间的良好接触来降低接触电阻。CNTs是一种先进的柔性储能材料，具有导电性高、电化学性能优异、韧性好、表面化学可调等优点，易于加工成柔性薄膜/纸。G作为一种优良的导电基底，在某种程度上可以与碳纳米管相媲美。它的高稳定性、机械性能和生物相容性与FLIBs兼容。对于FLIBs，研究人员回顾了柔性电极的制备方法、柔性电极的选择和表面改性等。然而，对新型碳材料在FLIBs电极中的功能应用缺乏系统的总结，对FLIBs的结构与其特殊功能之间的关系缺乏深刻的认识。

主要研究内容

1、CNTs和G在FLIB电极中的应用

图1 CNTs和G在FLIB电极中的应用

1）功能性应用

CNT和G在柔性电极中可作为导电剂材料、骨架和活性物质的作用。电极材料的非自支撑效应得到充分改善，电极表现出优异的力学性能和电化学性能。

作导电剂材料：当使用CNT和G作为导电剂时，电极的电导率增加，Li⁺的传输加速，阻抗降低；

作柔性骨架：CNT和G为活性材料提供了柔性基底作为骨架，使电极表现出优越的机械性能，减少了活性材料的破碎和脱落。

作活性材料：作为一种活性材料，CNT和G具有较大的比表面积和较小的孔隙，在进行电化学反应时具有足够的空间提供大量的活性位点。

2）CNT和G在特殊温度下的应用

在低温下的应用：低温下电池容量损失严重。研究人员研究如何在低温下保持甚至增加电池的容量，同时使其保持优异的机械性能。因此，在超低温电池中的使用是FLIBs未来发展的方向。

在高温下的应用：研究人员采用CNT骨架作载体，进一步提高了电极的比表面积和灵活性，以及电极在高温下的热稳定性。碳纳米管的稳定性提高了电池的工作温度范围。FLIB的高温使用是未来的发展方向，但能否在超高温下使用还有待进一步探索。

2、电极结构与性能之间的关系

1）粉末电极：其中主要包含传统粉末电极与核壳结构粉末电极；

图2 核壳电极材料及其柔性特性

2）线状电极：线状电极具有优越的拉伸性能。线状电极可用于纤维和纱线类型，其中纤维可以很容易地纺成纱线，这些纱线随后被编织成能够固化并承受大量变形的纺织结构；

3）片状电极：为避免活性物质的损失和变形破坏颗粒间连接，刚性电极通常采用薄膜片状形式。为了实现电极的自支撑和高灵活性，组装成电池或附着在柔性基底上是一种相对有效的手段。在实现柔性的同时，电池可以小型化，以适应更灵活的微型器件的应用。

图3 薄膜结构设计及其柔性特性

3、CNT和G基FLIB的组装结构与功能

传统的锂离子电池主要由硬质电池组成。但是，电池在使用过程中会轻微变形，并且在携带重物时可能会折叠。研究人员借助CNT和G的优良特性进一步提高了FLIB的可弯曲性、拉伸性、可折叠性、自恢复能力和自检能力。

图4 电池组装及其多功能性

结论

本文综述了CNTs和G在FLIB电极制造中的作用，特别是当其作为导体、骨架和活性材料来提高电极的电化学性能和柔性时。本文讨论了CNTs和G在低温和高温下对电池性能的影响。强调了不同结构的电极材料对电化学性能和机械性能的影响。电极结构可分为粉末结构、线状结构和薄膜结构等，且各自具有不同优缺点，其中线状结构和薄膜结构往往具有优异的力学性能。此外，本文系统评述了碳纳米管和石墨烯基柔性电极组成的FLIB的组装结构，以实现其可弯曲性、可拉伸性、可折叠性、自修复性和自检测等不同功能。并讨论了目前柔性碳纳米管和石墨烯基柔性电极及其相应的FLIB面临的挑战和发展前景。综上所述，CNTs和G作为构建FLIB的材料具有广泛应用前景。

原文信息

Application and structure of carbon nanotube and graphene-based flexible electrode materials and assembly modes of flexible lithium-ion batteries toward different functions

Yanzhi Cai¹, Zhongyi Hu¹, Laifei Cheng², Siyu Guo¹, Tingting Liu¹, Shaohua Huang¹, Dengpeng Chen¹, Yuhan Wang¹, Haiming Yu¹, Yuan Zhou¹

Author information：

1. College of Materials Science and Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China

2. Science and Technology on Thermostructure Composite Materials Laboratory, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China

Abstract：

In recent years, the rapid development of portable/wearable electronics has created an urgent need for the development of flexible energy storage devices. Flexible lithium-ion batteries (FLIBs) have emerged as the most attractive and versatile flexible electronic storage devices available. Carbon nanotubes (CNTs) are hollow-structured tubular nanomaterials with high electrical conductivity, large specific surface area, and excellent mechanical properties. Graphene (G) is to some extent comparable to CNTs, because both have unlimited value in flexible electrodes. Herein, a systematic summary of the application of CNT and G in FLIBs electrodes is presented, including different functional applications and services at different temperatures. Furthermore, the effects of electrode structures, including powder, wire-shaped, and film-shaped structures, on electrochemical properties is highlighted. The assembly structures of the FLIBs consisting of CNT and G-based flexible electrodes to realize different functions, including bendability, stretchability, foldability, self-healing, and self-detecting, are systematically reviewed. The current challenges and development prospects of flexible CNT and G-based flexible electrodes and corresponding FLIBs are discussed.

Keywords：

flexible lithium-ion batteries (FLIBs), carbon nanotubes (CNTs), graphene (G), electrode structure, function

Cite this article

Yanzhi Cai, Zhongyi Hu, Laifei Cheng, Siyu Guo, Tingting Liu, Shaohua Huang, Dengpeng Chen, Yuhan Wang, Haiming Yu, Yuan Zhou. Application and structure of carbon nanotube and graphene-based flexible electrode materials and assembly modes of flexible lithium-ion batteries toward different functions. Front. Energy, https://doi.org/10.1007/s11708-024-0911-2

通讯作者简介

蔡艳芝，2019年12月-至今，西安建筑科技大学，教授，博士研究生导师。研究方向为柔性新能源材料、柔性电磁吸波/屏蔽材料和自封闭梯度层状材料等。发表学术论文60余篇，其中第一作者发表学术论文40余篇（SCI检索一区TOP期刊论文15篇），他引500余次。第一发明人授权发明专利10项，发明专利转让3项。主持国家级、省部级和厅局级各级纵向科研项目9项，横向科研项目4项。