二维无机复合材料在柔性储能器件中的应用

随着现代科学技术的发展,柔性、可穿戴、可折叠、智能化是电子设备发展的主流方向,为电子产品提供能量的储能器件也逐步向轻、薄、韧等方向发展。当前的电化学储能器件,包括超级电容器及锂离子电容器,在提供的能量密度和功率密度方面等性能上有着明显的差异。例如,超级电容器凭借其快速充放电等特性,使其在功率密度上保持着绝对的优势,而锂离子电池因为其锂离子嵌入脱出反应,可以提供相当高的能量密度。如何使当前的储能器件能在保持现有电化学性能的情况下,又实现对器件的可折叠化、柔性化成为了当前储能器件的一种重要发展方向。

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电化学储能器件的工作原理是基于发生在电极表面及界面的物理吸附或者化学反应, 所以,电化学性能也相当大的程度上取决于电极材料本身,比如材料的比表面积,离子嵌入脱出的容易程度。二维纳米材料有着高的比表面积,丰富的电化学活性位点和快速的离子嵌入脱出,使其在超级电容器和锂电池应用上有众多优势。在众多二维纳米材料中,石墨烯在电化学储能应用中的作用显得特别突出。石墨烯有着极高的比表面积(2630 m2/g),可以提供丰富的离子吸附/脱附表面以及电化学反应的活性位点;石墨烯有着相当高的电子导电率,可以保证电子在电化学反应中的快速传导从而保证储能器件的倍率性能。石墨烯还可以作为很多高电化学活性的无机材料或者有机高分子材料的负载基底,很多无机材料或者有机高分子材料可以与石墨烯形成复合物的方式来提高他们在电化学储能上的性能。形成的二维石墨烯复合物可以兼具石墨烯及被复合物的双重优势,在电化学性能上有一定的加成效应。形成石墨烯复合物的另一个重要原因是希望构造一种适合电化学储能器件的,提供有效的离子传导的二维通道。形成二维石墨烯复合物的材料之后,位于相邻石墨烯片层的被复合物可以撑开相邻石墨烯片层的间距,这样一方面可以使相邻石墨烯片层的内部表面也用于电化学反应,另一方面可以使得离子在层间的传导更加顺畅。特别重要的一点是,由于石墨烯具有很强的机械强度,形成的二维石墨烯复合物也保持了石墨烯的强机械强度,使得其相较于其他的超级电容电极或锂电池电极材料而言,有着特别突出的柔韧性和可折叠性。应用这种二维石墨烯复合物的材料设计,使得对储能器件的可折叠化、柔性化并且还能保持优良的电化学性能成为可能。

通过对近几年相关开创性工作的分析,德克萨斯大学奥斯汀分校Guihua Yu研究团队 (http://yugroup.me.utexas.edu/) 总结了二维石墨烯复合物纳米材料在柔性电化学储能研究领域的最新研究进展,重点讨论了二维石墨烯复合物的不同合成方法,表征技巧,和他们在柔性储能领域的应用和机遇。文章总结了不同石墨烯复合物在柔性超级电容器,柔性锂离子电池,柔性锂硫电池和柔性钠离子电池等领域的研究。文章指出,二维石墨烯复合物可以协同利用二维石墨烯及被复合物的优势,从而成为可折叠的、柔性的电极材料并且还能保持优良的电化学性能。相关工作在线发表在Small(DOI: 10.1002/smll.201602109)上。

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