【背景介绍】

近年来，随着柔性可穿戴电子器件的快速发展，柔性可充电电池表现出巨大的市场前景。传统的电池是刚性的，在发生形变过程中电极材料容易从集流体上脱落，影响电化学性能并且存在安全隐患。因此，设计和开发电化学性能优异、机械强度高以及稳定性能突出的柔性可充电电池受到了科学界和工业界的广泛关注。柔性电池的设计可以通过两种路径来实现：第一种是采用本征柔韧性好的电极材料，且在形变过程中电化学性能不发生衰减；第二种是对电极或器件进行独特的结构设计，使其具备良好的变形能力（包括折叠、弯曲、拉伸或压缩等）。作为碳家族的一员，碳纳米管（CNT）具有独特的一维管状结构，因具有电导率高（>10⁵ S m^-1, 300 K）、比表面积大（1315 m² g^-1）、力学性能突出（杨氏模量和拉伸强度分别达到1 TPa和300 GPa）和化学稳定性好等优点，被认为是构建柔性电池的理想材料。如何研制出高性能的CNT基柔性电池器件成为未来几年的研究重点和难点。

【成果简介】

近日，北京大学李彦教授，悉尼大学陈元教授，苏州大学倪江锋教授（共同通讯作者）等人总结报道了碳纳米管在柔性电池中的应用进展与展望。北京大学化学与分子工程学院博士研究生朱胜和盛建为论文共同第一作者。该论文综述了近年来CNT在柔性电池开发中的应用进展，从封闭式电池体系到开放式电池体系，重点介绍了CNT基材料的结构设计及其在各种柔性电池中的作用。同时，作者也对CNT基柔性电池在商业化过程中所面临的挑战和未来研究方向提出了展望。该成果以题为“Carbon nanotubes for flexible batteries: recent progress and future perspective”的综述论文发表在国际著名期刊National Science Review上。

【图文解读】

图1. 碳纳米管用于柔性全电池的概要

图2. 碳纳米管用于柔性电池的主要优势

图3. 碳纳米管用于封闭式电池的集流体和电极材料

(a) 通过电子束蒸发法在CNT集流体表面沉积金属层的示意图。

(b) 利用“外延焊接”策略连接CNTs的示意图。

(c) P、碳纳米管和交联聚合物粘结剂之间相互作用的示意图。

(d) 三维CNT网络接枝MOF颗粒负载S之后的的TEM图像。

(e) S@L-ZIF-8@CNTs 100周充/放电循环稳定性。

图4. 碳纳米管用于封闭式全电池

(a) TiO₂/GO/CNT复合膜电极的合成和结构示意图。

(b) 薄膜型钠离子电池在不同弯曲角度下的比容量及循环稳定性。

(c) CNT纤维阳极的合成和电缆型电池组装示意图。

(d) 二维可拉伸的微蜂窝结构电极示意图。

图5. 柔性基底负载碳纳米管用于开放式电池的空气电极

(a) 使用LaNiO₃ /NCNT作为氧催化剂组装的的柔性ZAB照片。

(b) 组装的ZAB的横截面SEM图像。

(c) 使用碳布负载的LaNiO₃ /NCNT作为空气电极组装的柔性ZAB的示意图。

(d) 电池在不同弯曲角度下的恒电流充放电循环稳定性。

(e-f) 不锈钢网基底上生长Co₃O₄/NCNT催化剂的SEM图像。

(g) Co₃O₄/NCNT/不锈钢网空气电极360°扭曲的照片。

图6. 自支撑碳纳米管组装体用于开放式电池的空气电极

(a) 自支撑CNT@POF膜在弯曲和伸展（插图）状态下的照片。

(b) CNT@POF的SEM图像。

(c) 使用CNT@POF电极组装的柔性ZAB的结构示意图。

(d) 可拉伸锂空气电池组装示意图。

(e, f) 锂空气电池拉伸前后的照片。

(g) Co₃O₄/N-CNT气凝胶的SEM图像(插图为柔性CNT气凝胶的照片)。

(h) 使用Co₃O₄/N-CNT气凝胶组装的柔性ZAB的结构示意图。

(i) 使用NiCo₂O₄@N-OCNT薄膜组装的柔性电缆型ZAB的结构示意图。

【总结与展望】

CNT具有优异的物理、化学和力学性能，被证明是用于研制高性能柔性电池的理想材料。自支撑的CNT薄膜和纤维可以用作轻质柔性集流体。通过掺入活性电极材料或催化剂，各种CNT宏观组装体（包括1D纤维，2D薄膜，3D海绵和气凝胶）可以用作柔性电极材料。为了进一步提升CNT基柔性电池的性能，需要对电池结构以及CNT的生长、组装、功能化和装饰等过程进行协同优化。尽管已经取得了可观的研究进展，但是CNT基柔性电池的研制仍处于早期阶段，主要还存在如下挑战：（1）需要进一步发展高性能的CNT组装体，主要包括三个方面：① 提升CNT组装体的机械性能和导电性能；② 增加CNT组装体的振实密度；③ 实现CNT组装体的大规模制备。（2）实现CNT表面可控的功能化修饰。（3）建立标准化的柔性电池性能评估体系。

文献链接：

Carbon nanotubes for flexible batteries: recent progress and future perspective（Natl. Sci. Rev., 2020, https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa261）

来源：高分子科学前沿