碳納米管在柔性電極中的應用研究進展

焦玉春 陳騰飛 侯炳虎

摘 要：碳納米管因其獨特的力學、電學和熱學性能，在鋰離子電池電極材料中得到了廣泛的應用。本文主要對柔性電極材料的特點以及碳納米管在柔性電極材料中的應用進行了綜述。

關鍵詞：碳納米管;柔性電極;研究進展

鋰離子電池具有工作電壓高、比能量密度大、循環壽命長、無記憶效應和環境友好等優點，已經在數碼相機、手機、筆記本電腦等多個方面進行了應用。隨著這些移動電子設備的不斷小型化、輕量化，對新一代電池提出了“輕、薄、小”的要求。為了更好地滿足人們對于現代科技產品和高質量綠色生活的需求，發展具有高能量密度及高循環穩定性的柔性電極材料勢在必行。

碳納米管中的碳原子之間以sp2雜化方式鍵合，使得碳納米管具有很高的楊氏模量，是一種具有高斷裂強度的新材料。碳納米管同時具有很高的電導率和熱導率、優異的電化學性能、極佳的韌性以及化學可調的表面，容易加工形成柔性薄膜/紙張。因此，碳納米管是一種先進的柔性儲能材料。本文主要對柔性電極材料的特點以及碳納米管在柔性電極材料中的應用進行了綜述。

1 柔性電極的特點

傳統的電極通常由電極材料粉末、黏結劑、導電劑及集流體等構成。相比傳統電極材料，柔性電極材料具有優越的力學性能，即使在彎曲的情況下也能夠正常工作。從電極材料組成來說，柔性電極不需采用金屬集流體，克服了普通電極中通過加入黏結劑（如聚偏二氟乙烯，PVDF）將電極材料固定到集流體上易在電極彎曲情況下誘發活性材料脫離集流體的缺點。柔性電極除了省卻金屬集流體外，還避免了電極材料和集流體復合所需的黏結劑的使用。普通電極中采用的高分子黏結劑會明顯阻礙離子在電極中的傳輸，降低整個電極的離子傳輸率，從而降低電極的容量。同時，黏結劑還會減小活性物質的有效比表面積，加劇電極的極化現象。

2 碳納米管基柔性電極的研究進展

2.1 碳納米管/柔性基底復合物

碳納米管具有很高的電導率，可以采用浸潤、打印等方法，將碳納米管附著于各類基底上，利用基底提供復合電極的力學性能，所附著的碳納米管提供電化學儲能活性。常見的基底材料，如高分子、紙、紡織布等，都可應用這類方法進行柔性電極的加工。

Lee等[1]將CNT與PDMS復合制得了兼有高柔性和高容量的鋰離子電極，通過相分離、碳納米管混合、萃取、蒸發等步驟，可得到具有豐富孔容的PDMS與CNT的復合物。由于其具有多級孔道結構，離子傳輸阻力較小，因此鋰離子容易在碳納米管表面不斷嵌入和脫嵌。PDMS為該電極提供結構支撐骨架，保證其有較高的楊氏模量和斷裂強度，而碳納米管用于傳輸及儲存鋰離子，使該電極有穩定的電化學儲能特性。

2.2 碳納米管紙

為了提高活性物質在柔性電極中的質量，可以采用碳納米管形成的紙直接作為基底。在這種電極結構設計中，碳納米管既是構建導電網絡的基元，也是整個電極的支撐骨架。

制備碳納米管紙基柔性電極的通常流程涉及將碳納米管分散后進行真空抽濾成膜，再進行干燥等一系列處理，最后制得碳納米管紙。通過浸潤等方法可以直接將活性物質負載在碳納米管紙上，或者可先將合成活性物質的前驅體與碳納米管紙復合，再進行活性物質的合成。如Chen等[2]制備了TiO2納米顆粒與碳納米管紙的復合電極。如圖1所示，將溶有TiO2的油酸溶液滴在超長碳納米管制得的碳納米管紙上，經過后續加熱蒸發得到所需柔性復合電極。

2.3 碳納米管與活性物質原位復合

將合成活性物質的前驅體與碳納米管共沉淀成膜，再由前驅體合成活性物質，該種原位復合的方法更能保證電極材料在導電骨架中的分散以及與離子通道的良好結合。

Jia等[3]采取原位合成的方法制得碳納米管與V2O5復合的柔性電極。先將由碳納米管制得的氣凝膠與合成V2O5的前體攪拌混合，水熱合成V2O5，經過清洗過濾后得到V2O5/CNT宏觀體復合物，如圖2所示。這種原位合成方法的突出優點在于形成了V2O5納米線和超長碳納米管相互穿插交聯的結構，碳納米管貫穿整個電極，構建了良好的長程導電網絡。V2O5納米線與其相互交叉編織，大大提高了電極的柔性。

CNT由于其獨特的管狀結構、穩定性、導電性和導熱性等優點，已經在柔性電極材料中得到了廣泛的應用。下一步的研究重點是如何實現碳納米管基柔性電極材料的工業化和市場化。

參考文獻

[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.