碳纳米管在柔性电极中的应用研究进展

焦玉春 陈腾飞 侯炳虎

摘 要：碳納米管因其独特的力学、电学和热学性能，在锂离子电池电极材料中得到了广泛的应用。本文主要对柔性电极材料的特点以及碳纳米管在柔性电极材料中的应用进行了综述。

关键词：碳纳米管;柔性电极;研究进展

锂离子电池具有工作电压高、比能量密度大、循环寿命长、无记忆效应和环境友好等优点，已经在数码相机、手机、笔记本电脑等多个方面进行了应用。随着这些移动电子设备的不断小型化、轻量化，对新一代电池提出了“轻、薄、小”的要求。为了更好地满足人们对于现代科技产品和高质量绿色生活的需求，发展具有高能量密度及高循环稳定性的柔性电极材料势在必行。

碳纳米管中的碳原子之间以sp2杂化方式键合，使得碳纳米管具有很高的杨氏模量，是一种具有高断裂强度的新材料。碳纳米管同时具有很高的电导率和热导率、优异的电化学性能、极佳的韧性以及化学可调的表面，容易加工形成柔性薄膜/纸张。因此，碳纳米管是一种先进的柔性储能材料。本文主要对柔性电极材料的特点以及碳纳米管在柔性电极材料中的应用进行了综述。

1 柔性电极的特点

传统的电极通常由电极材料粉末、黏结剂、导电剂及集流体等构成。相比传统电极材料，柔性电极材料具有优越的力学性能，即使在弯曲的情况下也能够正常工作。从电极材料组成来说，柔性电极不需采用金属集流体，克服了普通电极中通过加入黏结剂（如聚偏二氟乙烯，PVDF）将电极材料固定到集流体上易在电极弯曲情况下诱发活性材料脱离集流体的缺点。柔性电极除了省却金属集流体外，还避免了电极材料和集流体复合所需的黏结剂的使用。普通电极中采用的高分子黏结剂会明显阻碍离子在电极中的传输，降低整个电极的离子传输率，从而降低电极的容量。同时，黏结剂还会减小活性物质的有效比表面积，加剧电极的极化现象。

2 碳纳米管基柔性电极的研究进展

2.1 碳纳米管/柔性基底复合物

碳纳米管具有很高的电导率，可以采用浸润、打印等方法，将碳纳米管附着于各类基底上，利用基底提供复合电极的力学性能，所附着的碳纳米管提供电化学储能活性。常见的基底材料，如高分子、纸、纺织布等，都可应用这类方法进行柔性电极的加工。

Lee等[1]将CNT与PDMS复合制得了兼有高柔性和高容量的锂离子电极，通过相分离、碳纳米管混合、萃取、蒸发等步骤，可得到具有丰富孔容的PDMS与CNT的复合物。由于其具有多级孔道结构，离子传输阻力较小，因此锂离子容易在碳纳米管表面不断嵌入和脱嵌。PDMS为该电极提供结构支撑骨架，保证其有较高的杨氏模量和断裂强度，而碳纳米管用于传输及储存锂离子，使该电极有稳定的电化学储能特性。

2.2 碳纳米管纸

为了提高活性物质在柔性电极中的质量，可以采用碳纳米管形成的纸直接作为基底。在这种电极结构设计中，碳纳米管既是构建导电网络的基元，也是整个电极的支撑骨架。

制备碳纳米管纸基柔性电极的通常流程涉及将碳纳米管分散后进行真空抽滤成膜，再进行干燥等一系列处理，最后制得碳纳米管纸。通过浸润等方法可以直接将活性物质负载在碳纳米管纸上，或者可先将合成活性物质的前驱体与碳纳米管纸复合，再进行活性物质的合成。如Chen等[2]制备了TiO2纳米颗粒与碳纳米管纸的复合电极。如图1所示，将溶有TiO2的油酸溶液滴在超长碳纳米管制得的碳纳米管纸上，经过后续加热蒸发得到所需柔性复合电极。

2.3 碳纳米管与活性物质原位复合

将合成活性物质的前驱体与碳纳米管共沉淀成膜，再由前驱体合成活性物质，该种原位复合的方法更能保证电极材料在导电骨架中的分散以及与离子通道的良好结合。

Jia等[3]采取原位合成的方法制得碳纳米管与V2O5复合的柔性电极。先将由碳纳米管制得的气凝胶与合成V2O5的前体搅拌混合，水热合成V2O5，经过清洗过滤后得到V2O5/CNT宏观体复合物，如图2所示。这种原位合成方法的突出优点在于形成了V2O5纳米线和超长碳纳米管相互穿插交联的结构，碳纳米管贯穿整个电极，构建了良好的长程导电网络。V2O5纳米线与其相互交叉编织，大大提高了电极的柔性。

CNT由于其独特的管状结构、稳定性、导电性和导热性等优点，已经在柔性电极材料中得到了广泛的应用。下一步的研究重点是如何实现碳纳米管基柔性电极材料的工业化和市场化。

参考文献

[1]Lee H，Yoo J，Park J，et al.A Stretchable Polymer–Carbon Nanotube Composite Electrode for Flexible Lithium‐Ion Batteries：Porosity Engineering by Controlled Phase Separation[J].Advanced Energy Materials，2012，2（8）：914-914.

[2]Chen Z，Zhang D，Wang X，et al.High-performance energy-storage architectures from carbon nanotubes and nanocrystal building blocks[J].Advanced Materials，2012，24（15）：2030-2036.