來源：X一MOL資訊（ID:X-molNews），作者：崔屹教授,、小希

近年來,，隨著電子技術(shù)的快速進(jìn)步，越來越多的電子設(shè)備正在向著輕薄化,、柔性化和可穿戴的方向發(fā)展,，例如三星和LG等公司都推出了曲面屏手機(jī),，并且正在計(jì)劃研制可折疊、可彎曲的新一代產(chǎn)品,。

目前發(fā)展柔性電子技術(shù)最大的挑戰(zhàn)之一就是與之相適應(yīng)的輕薄且柔性的電化學(xué)儲(chǔ)能器件。傳統(tǒng)的鋰離子電池,、超級(jí)電容器等產(chǎn)品是剛性的,，在彎曲、折疊時(shí),，容易造成電極材料和集流體分離,，影響電化學(xué)性能，甚至導(dǎo)致短路,，發(fā)生嚴(yán)重的安全問題,。因此為了適應(yīng)下一代柔性電子設(shè)備的發(fā)展，柔性儲(chǔ)能器件成為了近幾年的研究熱點(diǎn),。

可伸縮儲(chǔ)能器件發(fā)展歷程,，圖片來源：Adv. Mater.

近日，斯坦福大學(xué)的崔屹課題組在Adv. Mater.上發(fā)表綜述,，總結(jié)了近年來柔性儲(chǔ)能器件和可伸縮儲(chǔ)能器件的發(fā)展情況,。

崔屹教授。圖片來源：Stanford University

鋰離子電池能量密度高,，具有良好的循環(huán)性能,，穩(wěn)定性好，是發(fā)展柔性儲(chǔ)能器件最理想的候選,。而超級(jí)電容器具有高功率密度,，能實(shí)現(xiàn)大電流快速充放電，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)異性能,，可以彌補(bǔ)鋰電池的不足,。目前，柔性鋰離子電池和超級(jí)電容器面臨三個(gè)問題：1）柔性電極的設(shè)計(jì)和制備,；2）彎曲折疊過程中器件電化學(xué)性能的穩(wěn)定性,；3）高能量密度和高功率密度。本文著重介紹了鋰離子電池和超級(jí)電容器在柔性化方面的最新進(jìn)展和面臨的挑戰(zhàn),。

柔性鋰離子電池

先來看一下商用鋰離子電池的基本結(jié)構(gòu),。如圖，正負(fù)極由活性電極材料,、導(dǎo)電劑（如碳黑）,、粘結(jié)劑（如聚偏氟乙烯）和集流體（如銅箔、鋁箔）組成,。當(dāng)電池彎曲時(shí),，電極材料和集流體易發(fā)生分離,，輕則接觸不良，重則造成短路,。因此,，怎么樣才能防止電極材料和集流體分離是電池柔性化研究的第一步。

鋰離子電池示意圖,。圖片來自網(wǎng)絡(luò)

• 思路1：二維“紙電極”

紙張是有柔韌性的,，要是能把電極材料和集流體合二為一變成一張紙，問題不就解決了么,？載有活性材料的碳紙,、碳納米管（CNT）紙、石墨烯紙被紛紛報(bào)道,，制備方法也是多種多樣,，從簡(jiǎn)單的涂布法到真空抽濾法，再到復(fù)雜的CVD,、原位水熱沉積等等,。

碳紙。圖片來源：PNAS（DOI：10.1073/pnas.0908858106）

CNT紙,。圖片來源：JMCA（DOI: 10.1039/c2ta00753c）

真空抽濾法,。

• 思路2：“海綿電極”

活性材料填在多孔電極的孔隙中，即不容易脫離,，又能解決充放電過程中活性材料的膨脹問題,。

• 思路3：“織物電極”

碳纖維織物也是良好的集流體，在表面沉積活性物質(zhì),，不但能實(shí)現(xiàn)柔性化,，還可以減少粘合劑的使用。

幾種二維電極雖然能解決柔性電極的問題,，但提高活性比表面積和導(dǎo)電率進(jìn)而提高電池比容量又成為了電極材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要挑戰(zhàn),。因此出現(xiàn)了各種具有高性能的三維電極，包括陣列結(jié)構(gòu),、線型結(jié)構(gòu),、多孔支架等。

三維電極結(jié)構(gòu),，圖片來源：Adv. Mater.

再來看看電解質(zhì)的問題,，目前廣泛使用的液體電解質(zhì)具有易泄漏、易燃和化學(xué)穩(wěn)定性差等缺點(diǎn),，更使柔性電池的可彎曲性受到了很大的限制,。而近年來發(fā)展起來的固體電解質(zhì)恰好解決了傳統(tǒng)的液體電解質(zhì)穩(wěn)定性差的問題，大大提高了鋰電池的安全性,，也有利于柔性鋰電池的機(jī)械性能,。這里,，值得一提的是，Sang Young Lee的小組報(bào)道的柔性全固態(tài)電池,，這種電池通過模板印刷工藝“打印”出來,，可以形成復(fù)雜的幾何形狀。

此外,，鋰硫電池,、鋰氧電池以及鈉電等新型電池也加入到了柔性化的研究中。

可打印柔性全固態(tài)電池制造過程示意圖,，圖片來源：Adv. Mater.

柔性超級(jí)電容器

詳細(xì)的看完柔性鋰電池，我們?cè)賮砗?jiǎn)單的看看柔性超級(jí)電容器的發(fā)展,。研究者從二維層間柔性電極結(jié)構(gòu),、二維平面電極結(jié)構(gòu)、三維電極結(jié)構(gòu)三個(gè)方面總結(jié)了柔性超電的發(fā)展,。其中,，比較有趣的一篇是以石墨烯為基面通過等離子體刻蝕法制備的叉指型微型超級(jí)電容器。

兼具柔性和透明性的微型超級(jí)電容器,，圖片來源：Adv. Mater.

可伸縮鋰離子電池

在過去十年柔性電極發(fā)展的同時(shí),，可伸縮的基礎(chǔ)技術(shù)也在發(fā)展。然而,，直到2009年,，可伸縮技術(shù)才從醫(yī)學(xué)植入研究擴(kuò)展到了可伸縮儲(chǔ)能器件的研究。相比于柔性器件,，可伸縮儲(chǔ)能器件對(duì)結(jié)構(gòu)和材料設(shè)計(jì)有更高的要求,。通常，可伸縮器件主要有兩種方式：一種是材料（電極和電解質(zhì)）本身具有彈性,，另一種是通過設(shè)計(jì)新型結(jié)構(gòu)使剛性組分具有可伸縮能力,。目前對(duì)于電池和電容器而言，后者比前者更容易實(shí)現(xiàn),，因?yàn)閺椥杂袡C(jī)活性物質(zhì)制備的電極其電化學(xué)性能還遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法和傳統(tǒng)材料相比,。

“多孔框架結(jié)構(gòu)”可伸縮電極，圖片來源：Adv. Mater.

設(shè)計(jì)新型結(jié)構(gòu),，主要包含三種：多孔框架結(jié)構(gòu),、波浪結(jié)構(gòu)、螺旋彈簧結(jié)構(gòu),。其中多孔框架結(jié)構(gòu)的研究最多,，然而最大拉伸倍率一般都不超過100%。波浪結(jié)構(gòu)和螺旋彈簧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度更大,，但拉伸倍率也相對(duì)大很多,。2013年,，美國(guó)西北大學(xué)的黃永剛教授和美國(guó)伊利諾伊大學(xué)的John A. Rogers在Nat. Commun.雜志上發(fā)表的“Stretchable batteries with self-similar serpentine interconnects and integrated wireless recharging systems”是比較早的（印象中是第一篇）這種電極結(jié)構(gòu)的報(bào)道了（Nat. Commun., 2013, 4, 1543）。

可伸縮電池照片及結(jié)構(gòu)示意圖,。圖片來源：Nat. Commun.

從下面這個(gè)視頻中我們可以看到,，這種電池可以為L(zhǎng)ED燈持續(xù)供電，即使是拉伸,、折疊,、彎曲，甚至安裝在手肘上也能照常工作,。

視頻來源：Adv. Mater. 

同樣比較有名的應(yīng)該屬?gòu)?fù)旦大學(xué)的彭慧勝課題組的研究了,。2015年在Adv. Mater.雜志上發(fā)表的工作，“A Gum-Like Lithium-Ion Battery Based on a Novel Arched Structure”通過聚合物實(shí)現(xiàn)了電池的伸縮性（Adv. Mater., 2014, 26, 1217）,。隨后,，2016年，他們又在Angew. Chem. Int. Ed.和JMCA雜志上發(fā)表工作,，制備了基于纖維狀結(jié)構(gòu)的可伸縮鋰電池和鋁空氣電池,。

波浪型電池，圖片來源：Adv. Mater.

圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.

圖片來源：JMCA

可伸縮超級(jí)電容器

同樣地,，詳細(xì)地說完可伸縮型鋰電池,，我們?cè)俸?jiǎn)單的看看可伸縮超級(jí)電容器的研究。相對(duì)于鋰電池,，超級(jí)電容器的制備相對(duì)容易,，因此新穎的電極結(jié)構(gòu)迅速應(yīng)用于其中，主要包括波浪/塊體結(jié)構(gòu),、線型結(jié)構(gòu),、織物結(jié)構(gòu)等。

兩種紗線組成的網(wǎng)狀編織結(jié)構(gòu)電池,，圖片來源：Adv. Mater.

總結(jié)與展望

鋰離子電池和超級(jí)電容器已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于實(shí)際中,，同時(shí)，近年來在柔性和可伸縮儲(chǔ)能器件的材料探索,、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),、制造方法和集成組裝方面也取得很大的進(jìn)展。實(shí)現(xiàn)柔性和可伸縮性儲(chǔ)能器件主要可以從新結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和柔性材料的探索兩個(gè)方向著手,。目前,，碳基材料，包括CNF,、CNT,、石墨烯、石墨烯及其復(fù)合材料，正在取代傳統(tǒng)的銅箔和鋁箔作為集流體,，并負(fù)載活性物質(zhì),，用來制備可彎折的柔性鋰離子電池和超級(jí)電容器。同時(shí),，“紙電極”,、海綿狀、多孔框架,、螺旋彈簧等多種多樣有趣的電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),，也促進(jìn)了柔性儲(chǔ)能器件的發(fā)展。

當(dāng)然,，要實(shí)現(xiàn)柔性儲(chǔ)能器件的實(shí)際應(yīng)用還有很多問題和挑戰(zhàn),。例如探索低成本、大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)技術(shù),，提高柔性裝置的循環(huán)穩(wěn)定性等等,。未來柔性儲(chǔ)能器件的發(fā)展可能會(huì)集中在以下幾個(gè)方面：

1）電極材料研究。通過開發(fā)新材料或者復(fù)合材料,，來進(jìn)一步提高電極的電導(dǎo)率和電化學(xué)穩(wěn)定性，同時(shí)增加比容量和能量密度,；

2）固態(tài)電解質(zhì)的開發(fā),。尋找離子遷移數(shù)高、電導(dǎo)率高,、與電極材料相容性好的固態(tài)電解質(zhì),，增強(qiáng)固態(tài)電解質(zhì)的導(dǎo)電率，提高電池安全性能和機(jī)械性能,；

3）減少集流體,、粘結(jié)劑及導(dǎo)電劑。不但能夠提高儲(chǔ)能器件的能量密度,，還能促進(jìn)柔性電極的發(fā)展,；

4）電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),。從簡(jiǎn)單的紙張型,、織物型到復(fù)雜的彈簧型、波浪型電極,，新穎的設(shè)計(jì)層出不窮,；

5）新的生產(chǎn)工藝。從傳統(tǒng)的涂布卷繞工藝到沉積,、刻蝕,、噴墨打印等技術(shù)的應(yīng)用，柔性儲(chǔ)能器件正在向精細(xì)化發(fā)展。

原文：

Flexible and Stretchable Energy Storage: Recent Advances and Future Perspectives

Adv. Mater., 2017, 29, 1603436, DOI: 10.1002/adma.201603436

崔屹教授

http://www./university/faculty/35078

柔性儲(chǔ)能設(shè)備設(shè)計(jì)綜述

鋰離子電池篇

來源：新能源Leader（ID:newenergy-leader ）

作者：憑欄眺

隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展,，越來越多的電子設(shè)備正在向著輕薄化和柔性化的方向進(jìn)行發(fā)展,，例如三星和LG都推出了自家的柔性可折疊的屏幕，并且正在計(jì)劃推出可折疊的手機(jī)等產(chǎn)品,，目前顯示組件和電路都可實(shí)現(xiàn)柔性和可折疊,，目前最大的挑戰(zhàn)就是可以折疊的儲(chǔ)能電源產(chǎn)品，傳統(tǒng)的鋰離子電池,、超級(jí)電容器等產(chǎn)品,，不但體積笨重，而且還無(wú)法折疊,，在體積變化過大時(shí),，甚至?xí)?dǎo)致正負(fù)極之間發(fā)生短路，引發(fā)熱失控,，導(dǎo)致嚴(yán)重的安全問題,。因此為了適應(yīng)下一代柔性電子設(shè)備的發(fā)展，鋰離子電池的發(fā)展方向也應(yīng)向著柔性,、可折疊的方向進(jìn)行發(fā)展,。

對(duì)于鋰離子電池和超級(jí)電容器等化學(xué)電源來說，實(shí)現(xiàn)柔性最大的阻礙是集流體的柔性化設(shè)計(jì),，不但要保證柔性電極具有良好的機(jī)械性能,，還要具有良好的電化學(xué)性能。從今天開始,，我們將分兩篇為大家介紹柔性儲(chǔ)能電源設(shè)計(jì)的最新發(fā)展情況,，包含柔性鋰離子電池和柔性超級(jí)電容器兩個(gè)部分。

為了實(shí)現(xiàn)鋰離子電池的柔性化設(shè)計(jì),，人們對(duì)多種路線進(jìn)行了嘗試,，例如聚合物電池、纖維素基電池和紙基電池,，研究顯示對(duì)鋰離子電池折疊性能影響最大的是電極和集流體的設(shè)計(jì),，下面我們就按照技術(shù)方向?qū)δ壳叭嵝凿囯x子電池設(shè)計(jì)發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行介紹。

• 柔性紙電池

圖片來自參考文獻(xiàn)

說起紙張大家都不陌生,，造紙術(shù)是我國(guó)四大發(fā)明之一,，雖然不清楚為什么我們什么都喜歡湊四個(gè)，像什么四大名著,、四大才子,、四大家族了，但是造紙術(shù)的發(fā)明確實(shí)對(duì)人類文明發(fā)展的進(jìn)程產(chǎn)生了重大的影響,。紙張表面粗糙,，孔隙率高，十分適合離子的擴(kuò)散，而且紙張具有柔性可折疊的特點(diǎn),，因此十分適合用于生產(chǎn)柔性鋰離子電池,。在鋰離子電池中，紙張既可以用作集流體,，也可以用作隔膜,，當(dāng)然這需要對(duì)傳統(tǒng)的紙張進(jìn)行改性處理，例如在紙張的表面涂布一層多壁碳納米管SWCNTs以增強(qiáng)紙張的導(dǎo)電性,，以碳納米管CNT與纖維素復(fù)合制成具有良好導(dǎo)電性的柔性電極,，當(dāng)然紙也可以作為隔膜，在最近的一項(xiàng)報(bào)道中,，以多壁碳納米管薄膜為集流體,，并分別涂布正、負(fù)極活性物質(zhì),，以紙張作為隔膜和支撐結(jié)構(gòu),，電池不僅具有良好的可折疊特性，還具有優(yōu)異的電化學(xué)性能,，特別是該電池的自放電性能,，存儲(chǔ)350h，電壓僅下降5.4mV,。

• 3D電極柔性鋰離子電池

圖片來自參考文獻(xiàn)

鋰離子電池的容量和倍率性能與電極的活性面積有著密切的關(guān)系,，通過對(duì)鋰離子電池的電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，增加電極的活性面積,，提高Li+的擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)條件是提升鋰離子電池性能的重要途徑。最近的研究發(fā)現(xiàn),，具有3D結(jié)構(gòu)的碳紡織品具有良好的導(dǎo)電性能還具有極佳的機(jī)械性能,，因此十分適合用來取代傳統(tǒng)的金屬集流體。通過在碳纖維的表面生長(zhǎng)一層ZnCo2O4納米線材料,，負(fù)極的比容量可以達(dá)到1300mAh/g,，以該材料作為負(fù)極，鈷酸鋰作為正極制成的鋰離子電池在彎折的情況下也能夠正常工作,，耐久性試驗(yàn)中,，該電池彎折數(shù)百次后仍然能夠正常工作，但是目前碳紡織品材料的主要問題是面密度太高,，影響電池的能量密度提升,。如果使用超薄鈦箔作為集流體，涂布一層具有3D結(jié)構(gòu)的活性物質(zhì),，可以顯著的提升電池的倍率性能,，同時(shí)保證良好的柔性。最近新興的石墨烯泡沫材料，由于質(zhì)量輕,，導(dǎo)電性好,，擁有極好的可折疊性，吸引了廣泛的關(guān)注,，例如研究顯示,，以Li4Ti5O12與石墨烯泡沫形成復(fù)合材料，在200C的超高倍率下,，仍然能夠獲得86mAh/g的比容量,，并且保持了良好的可折疊性，在彎曲半徑達(dá)到5mm時(shí),，容量?jī)H輕微的降低了1%,。

• 全固態(tài)電解質(zhì)

圖片來自參考文獻(xiàn)

傳統(tǒng)的液體電解質(zhì)，由于熱穩(wěn)定,、機(jī)械穩(wěn)定差等問題,，使得柔性電池的可彎曲性受到了很大的限制，而近年來發(fā)展起來的塑料晶體電解質(zhì)恰好解決了傳統(tǒng)的液體電解質(zhì)穩(wěn)定性差的問題,，塑料晶體電解質(zhì)主要由鋰鹽和塑料晶體組成,，具有良好的熱穩(wěn)定性和較好的離子電導(dǎo)率，但是傳統(tǒng)的塑料晶體電解液在室溫下更多呈現(xiàn)出液體的行為,，因此導(dǎo)致其存在機(jī)械性能差等問題,，需要通過相應(yīng)的改造手段進(jìn)行改造，通過在在塑料晶體電解質(zhì)中添加PET纖維,，可以顯著的改善塑料晶體電解質(zhì)的機(jī)械性能,，以LiCoO2為正極，Li4Ti5O12為負(fù)極,，以經(jīng)過強(qiáng)化處理的塑料晶體電解質(zhì)為電解質(zhì)和隔膜,，該電池表現(xiàn)出了良好的可彎曲性，即使在纏繞幾圈的前提下,，依然能夠正常工作,。但上述電解質(zhì)的厚度一般為25um左右，還無(wú)法滿足輕薄化鋰離子電池的設(shè)計(jì)需求,，于是人們對(duì)鋰磷氧LPON材料進(jìn)行研究,，該固體電解質(zhì)的厚度可以做到2um，仍然能夠保持良好的電化學(xué)性能,。

• 柔性離子電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖片來自參考文獻(xiàn)

對(duì)于柔性電子元器件的設(shè)計(jì),，對(duì)其設(shè)計(jì)限制最大的就是電池的形狀，相比于傳統(tǒng)的片狀電池,，線型鋰離子電池在這方面具有天然的優(yōu)勢(shì),，例如最近LG化學(xué)公司就推出了一款,，線型鋰離子電池，該電池具有中空螺旋型的負(fù)極結(jié)構(gòu),，改性無(wú)紡布隔膜,，和外部的正極結(jié)構(gòu)，該電池電壓平臺(tái)3.5V,，容量線密度為1.0mAh/cm,，該電池具有良好的可彎曲性，更為重要的是該電池不必像傳統(tǒng)的鋰離子電池那樣安置在電子設(shè)備的內(nèi)部,，可以放置在任何地方,，因此可以極大的方便可穿戴設(shè)備的使用。

隨著可延展電子設(shè)備的發(fā)展,，柔性電子設(shè)備不僅要承受彎曲變形,，還要能夠彎曲，拉伸和壓縮等受力形式,，因此為可延展電子設(shè)備提供儲(chǔ)能電池是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn),，目前一條可行的技術(shù)方案是進(jìn)行單元化設(shè)計(jì)，也就是將傳統(tǒng)的整個(gè)鋰離子電池分割成一個(gè)一個(gè)獨(dú)立的小單元,，一般是以彈性硅膠薄膜作基體,，不同的小單元之間相互連接。通過測(cè)試,，該方法制備的電池可以延展到300%以上,，仍然能夠保持良好的電化學(xué)性能。

目前柔性鋰離子電池的設(shè)計(jì)還僅僅是起步階段,，還有許多問題需要解決,，例如，如何在保證電池具有良好的機(jī)械性能的前提下提升鋰離子電池的比能量和安全性能,，這需要在電解設(shè)計(jì)和電解液設(shè)計(jì),，以及電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上共同著手才能完成。

文主要參考以下文獻(xiàn),，文章僅用于對(duì)相關(guān)科學(xué)作品的介紹和評(píng)論,，以及課堂教學(xué)和科學(xué)研究,，不得作為商業(yè)用途,。如有任何版權(quán)問題，請(qǐng)隨時(shí)與我們聯(lián)系,。

Flexible Energy-Storage Devices: DesignConsideration and Recent Progress, Adv. Mater, 2014, Xianfu Wang, Xihong Lu, BinLiu, Di Chen, Yexiang Tong, and Guozhen Shen.

柔性儲(chǔ)能設(shè)備設(shè)計(jì)綜述

超級(jí)電容篇

來源：新能源Leader（ID:newenergy-leader ）

作者：憑欄眺

在上一篇《柔性儲(chǔ)能設(shè)備設(shè)計(jì)綜述-鋰離子電池篇》中,，我們介紹了柔性鋰離子電池設(shè)計(jì)的最新發(fā)展?fàn)顩r，今天我們將繼續(xù)介紹柔性超級(jí)電容器的最新發(fā)展?fàn)顩r,。相比于鋰離子電池,，超級(jí)電容器的突出特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)數(shù)萬(wàn)次反復(fù)充放電,，并且能夠?qū)崿F(xiàn)大電流快速充放電，這主要是因?yàn)殡娙萜髋c鋰離電池工作模式的不同,，電容的工作原理是利用雙電層電容在電勢(shì)作用下吸附陰陽(yáng)離子,，從而達(dá)到儲(chǔ)能的目的，這也稱為物理電容,，在這一過程中并不發(fā)生氧化還原反應(yīng),。但是雙電層電容一般來說容量很小，而且主要和電極材料的比表面積有關(guān),，提升材料電容的主要手段是提高活性物質(zhì)的比表面積,，但是這往往是非常有限的。為了提高電容的容量,，另外一種更為有效的手段就是利用贗電容,，所謂贗電容也就是利用了電活性物質(zhì)在電極表面進(jìn)行欠電位沉積，發(fā)生高度可逆的化學(xué)吸附,、脫附或者氧化還原反應(yīng),，贗電容不僅僅發(fā)生在電極的表面，還會(huì)在整個(gè)電極內(nèi)部發(fā)生,，極大的提高電容器的容量,。一般來說，相同面積上的贗電容容量為雙電層容量的10-100倍,。

由于超級(jí)電容器具有上述優(yōu)點(diǎn),，使得超級(jí)電容成為了現(xiàn)代電子產(chǎn)業(yè)不可缺少的重要電子元器件，因此隨著電子設(shè)備的柔性化發(fā)展趨勢(shì),，也需要對(duì)超級(jí)電容器進(jìn)行柔性化設(shè)計(jì),。在電容器設(shè)計(jì)中，最為常用的為碳材料,，例如活性碳,、碳納米管和石墨烯等都是超級(jí)電容器內(nèi)常用的電極材料，主要是由于這些碳材料具有高比表面積,，良好的導(dǎo)電性和良好的熱穩(wěn)定性等特性,。

• 碳納米管CNT基柔性超級(jí)電容器

碳納米管CNT具有高比表面積（1240-2220m2/g），超高的電子導(dǎo)電性（10,，000-100,，000S／cm）十分適合作為超級(jí)電容器的活性物質(zhì)，配合柔性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),，可以制備高性能柔性電容器,。例如，Kang等人以打印紙作為支撐結(jié)構(gòu)和隔膜,，在其兩側(cè)分別涂布CNT,，以離子液體基的凝膠作為電解液,，獲得的柔性超級(jí)電容器的能量密度最大可達(dá)41Wh／kg，最大功率密度可達(dá)164KW／kg,。

• 石墨烯基柔性超級(jí)電容器

圖片來自參考文獻(xiàn)

石墨烯是近年來新興的一種超級(jí)碳材料,，石墨烯僅由一層石墨碳原子構(gòu)成，具有極高的導(dǎo)電性和比表面積（2630m2/g）,。目前石墨烯的制備方法主要有氧化還原法,，利用化學(xué)方法對(duì)石墨進(jìn)行剝離，并進(jìn)行還原,，優(yōu)點(diǎn)是能夠進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn),，缺點(diǎn)是產(chǎn)品中含有較多的官能團(tuán)，影響產(chǎn)品的性能,；機(jī)械剝離法,，以機(jī)械的方法對(duì)石墨材料進(jìn)行剝離，優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)品純度高,，性能好,，缺點(diǎn)是生產(chǎn)成本高，不適合規(guī)模生產(chǎn),。

目前在超級(jí)電容器上應(yīng)用的主要是主要是化學(xué)法制備的氧化還原石墨烯,，例如，Choi等人以全氟磺酸處理的還原氧化石墨烯作為電極,，全氟磺酸作為電解質(zhì),，制備的超級(jí)電容器具有極高的比電容（118.5F／g，1A/g）,，是純氧化還原石墨烯電容的兩倍左右,。石墨烯的超級(jí)性能主要是得益于其單層或者少層石墨結(jié)構(gòu)，但是石墨烯材料有再次堆疊的傾向,，這將導(dǎo)致石墨烯材料的性能下降,。Yang等人利用仿生方法開發(fā)的堆疊自抑制型石墨烯很好的克服了這一問題，以該材料制備的超級(jí)電容器比電容可以達(dá)到273.1F／g,，能量密度達(dá)到150.9Wh／kg,。

• 復(fù)合材料柔性超級(jí)電容器

圖片來自參考文獻(xiàn)

基于碳材料的超級(jí)電容器一般具有超高的比功率，但是比容量較低,，這主要是受雙電層電容容量較低的影響,。為了進(jìn)一步提升超級(jí)電容器的容量，需要采用贗電容,，具有贗電容的活性物質(zhì)比電容要比碳材料高300-1200F／g,。目前的主要研究方向是使用碳材料與贗電容材料如MnO2,，RuO2和PANI材料混合使用,，結(jié)合碳材料良好的導(dǎo)電性和贗電容材料的高比電容,，提高超級(jí)電容的比能量。

在常見贗電容材料中,，MnO2因?yàn)楦叩睦碚摫入娙荩?400F／g）,，成本低，自然資源豐富,，十分適合作為超級(jí)電容器的電極活性物質(zhì),，并在近年來成為了超級(jí)電容器的研究熱點(diǎn)，MnO2存在的主要問題是電導(dǎo)率低,，為了提升MnO2超級(jí)電容器的能量密度和功率密度,，需要采用MnO2/碳復(fù)合材料（如碳納米顆粒，碳納米管等）,，一般是采用將MnO2涂布到碳材料的表面的方法,，提升材料的導(dǎo)電性，例如以MnO2/CNT復(fù)合材料為電極,，制備的超級(jí)電容器能量密度可以達(dá)到20Wh／kg,，并具有良好的循環(huán)性能。最近Lu等人開發(fā)了一款具有核殼結(jié)構(gòu)的WO3-x@Au@MnO2納米線材料,，該材料以碳紡織品為基體,，具有十分優(yōu)異的電化學(xué)性能，在23.6KW／kg的功率密度下,，比能量可以達(dá)到106.4Wh／kg,，在30.6KW/kg的功率密度下，比能量可以達(dá)到78.1Wh／kg,，并且該超級(jí)電容具有良好的可折疊特性,，折疊和扭曲對(duì)其性能沒有明顯的影響。

近年來發(fā)展起來的導(dǎo)電高分子聚合物也可以用于柔性超級(jí)電容器的設(shè)計(jì),，通過與Au,，TiO2等材料復(fù)合，可以用于超薄柔性超級(jí)電容器的設(shè)計(jì),。層狀雙氫氧化合物由于良好的氧化還原活性,，低成本和環(huán)境友好等特性，十分適合作為超級(jí)電容器的活性物質(zhì),，例如以CoAl-LDH納米片為支撐結(jié)構(gòu),，以PEDOT為活性物質(zhì)制備的超級(jí)電容器，比電容高達(dá)649F／g,，在40A／g的電流密度下,，比能量可以達(dá)到39.4Wh／kg。

• 混合式超級(jí)電容器

圖片來自參考文獻(xiàn)

從上面的介紹可以看到,，雖然科學(xué)家們已經(jīng)作出了巨大的努力,，但是純電容的比能量是十分有限的,，難以和鋰離子電池相比，因此這也極大的限制了超級(jí)電容器的應(yīng)用,。在大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)景下,，高功率充放電往往是以脈沖模式進(jìn)行的，不會(huì)以大電流持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間工作,，結(jié)合這一特點(diǎn),，科學(xué)家們開發(fā)了一中混合式的超級(jí)電容器，該電容器具有非對(duì)稱的電極設(shè)計(jì),，在這種混合式電容中,，電極的一側(cè)具有鋰離子電池結(jié)構(gòu)，能為混合型電容提供較高容量,。電極的另一側(cè)則是電容結(jié)構(gòu),，能夠?yàn)槌?jí)電容提供超高功率放電，該電容器最大的優(yōu)點(diǎn)是將鋰離子電池高容量和超級(jí)電容的快速充放電的特性結(jié)合在一起,，在大電流快速放電時(shí),，主要由超級(jí)電容器的一側(cè)供電，在放電結(jié)束的時(shí)候,，鋰離子電池的一層電極能夠?yàn)槌?jí)電容器一側(cè)的電極充電,，這種不對(duì)稱電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，很好的結(jié)合了超級(jí)電容器和鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn),，為高比能型超級(jí)電容器開發(fā),，提供了新的思路。

超級(jí)電容器和鋰離子電池的發(fā)展,，可以說是相輔相成,，小編認(rèn)為未來的發(fā)展中，鋰離子電池既不會(huì)被超級(jí)電容器所取代,，也不會(huì)取代超級(jí)電容器,，更有可能的發(fā)展模式是鋰離子電池和超級(jí)電容器相輔相成，結(jié)合各自的優(yōu)點(diǎn),，更好的為人類服務(wù),。例如，在電動(dòng)汽車中,，超級(jí)電容器用來收集在汽車剎車過程中產(chǎn)生的電能,，然后轉(zhuǎn)存到鋰離子電池中。在啟動(dòng)的過程中,，首先由鋰離子電池為超級(jí)電容器充電,，然后超級(jí)電容器再為電動(dòng)機(jī)提供高功率供電，保證在汽車啟動(dòng)過程中具有良好的加速性。

文主要參考以下文獻(xiàn),，文章僅用于對(duì)相關(guān)科學(xué)作品的介紹和評(píng)論,，以及課堂教學(xué)和科學(xué)研究，不得作為商業(yè)用途,。如有任何版權(quán)問題，請(qǐng)隨時(shí)與我們聯(lián)系,。

Flexible Energy-Storage Devices: DesignConsideration and Recent Progress, Adv. Mater, 2014, Xianfu Wang, Xihong Lu, BinLiu, Di Chen, Yexiang Tong, and Guozhen Shen.