刘忠范院士团队《AEM》：高安全、全柔性石墨烯改性锂离子电池

锂离子电池（简称LIB）是一种可充电电池，最早由埃克森美孚(Exxon)的化学家斯坦利•惠廷汉姆(M Stanley Whittingham)于20世纪70年代提出。锂离子电池通常用于便携式电子设备和电动汽车，并且在军事和航空航天应用中日益流行。在电池中，锂离子在放电过程中从负极移动到正极，在充电过程中返回。与不可充电锂电池中使用的金属锂相比，锂离子电池使用嵌入锂化合物作为电极材料。电池具有高能量密度，没有记忆效应（除了LFP电池）和低自放电。然而，它们可能是一种安全隐患，因为它们含有易燃电解质，如果损坏或充电不当，可能导致爆炸和火灾。锂离子电池起火后，三星被迫召回 Galaxy Note 7手机，波音787上也发生过几起电池事故。

锂离子电池的工作原理与所有二次电化学电池的工作原理相同，即具有一定化学势差的正极和负极通过可控氧化还原反应实现能量的可逆释放和存储。安全始终是LIB的关键问题，对于灵活的LIB来说，安全性甚至变得更具挑战性。目前，大多数报道的柔性LIB使用有机碳酸盐溶剂和基于聚烯烃的隔板。在柔性电池的弯曲过程中，液体电解质由于其流动性而对包装材料有严格的要求。一旦包装材料破裂，电解液的泄漏和电池的短路将导致巨大的安全隐患。 柔性锂离子电池（LIB）的安全性受到极大的关注，中国科学院院士刘忠范教授课题组研究人员使用LiCoO2作为阴极，Li4Ti5O12作为阳极的完全柔性锂离子电池，石墨烯薄膜作为柔性集流体。氧化石墨烯改性的凝胶聚合物电解质表现出比常规液体电解质更高的离子传导性，并提高了柔性电池的安全性。

柔性石墨烯电池的最佳设计具有超级电化学性能，具有2.3 V的输出电压平稳范围和在1 C时143.0 mAh g-1的令人满意的容量。质量能密度和功率密度均比使用金属箔作为集电器的标准电极高约1.4倍。在十万次机械弯曲之后，没有观察到容量损失。更重要的是，即使在剪切状态下，这种柔性凝胶聚合物电池仍可表现出稳定且安全的电化学性能。这项工作可能会为下一代柔性电子产品带来高性能可扩展LIB有前途的策略，研究工作以“Highly-Safe and Ultra-Stable All-Flexible Gel Polymer Lithium Ion Batteries Aiming for Scalable Applications”为题发表在国际顶级期刊《Advanced Energy Materials》上。

图1 （a,b）石墨烯薄膜形貌表征。c）柔性电极弯曲的示意图。d）LCO/铝箔和e）LCO/石墨烯膜的电极弯曲图片。f）LCO/铝箔和g）LCO/石墨烯薄膜电极折痕的断面SEM图像

图2 商用Celgard隔膜（a，b），P-GPE（c，d）和GO-GPE（e，f），热处理前（a，c，e）和后（b，d，f）的SEM图像，在140°C下放置1小时

图3 离子电导率分析

图4 弯折测试图

图5 a ） 使用石墨烯薄膜作为集流体和最佳GO‐GPE柔性电池的示意图。b）在不同的弯曲时间后以1C循环的柔性电池的循环性能。温度：25℃。

图6 与绿色发光二极管（LED）串联的柔性电池演示图

总而言之，本研究证明了用于未来可扩展应用的极其安全和柔性的凝胶聚合物LIB。超薄，超轻和高度柔性的石墨烯薄膜用作LTO阳极和LCO阴极的集流体！由石墨烯薄膜制成的柔性LIB在超过10万次机械弯曲后表现出卓越的稳定性能，而没有容量损失。高柔韧性的石墨烯薄膜可以弯曲数万次而不会发生塑性变形可以预见的是，具有高能量和功率密度，出色的安全性和出色的可靠性的可伸缩柔性电池将为未来的可穿戴电子设备和极端保形条件下的许多其他应用提供能量。