石墨烯/二氧化锰-纳米纤维素柔性电极的制备及其性能研究
摘要:随着制造工业技术的迅速发展，便携式，可穿戴式等电子设备正在朝着柔性化、微型化、轻质化、智能化的方向发展。具有柔性、轻质、高机械强度和高效的储能设备得到很多科研学者的青睐。超级电容器凭借其具有高功率密度、长循环寿命、快速充放电及操作安全等优异特性，可以当做前景良好的储能设备。生物质碳材料因来源广、化学稳定性好、比表面高、环境友好等特点，被认为是良好的电极材料。石墨烯在诸多实验中被证实性能颇为优异，可以当做电极的良好材料[1]。但是石墨烯的理论比电容有限，而且存在分散性差、机械脆性等缺点，所以实际比电容也受到了影响。二氧化锰的作为一种较高理论比电容的材料，使之与石墨烯协同效应，从而得到具有优异电化学性能的复合材料。再加入绿色可再生的TEMPO氧化木浆纤维制备出纤维素纳米纤维，在多重物理交联间的协同作用以及纳米纤维素强度高、模量高等特性，使柔性电极具备良好的机械性能[2]。制备得出的柔性电极材料在柔性电子设备等领域发挥重要作用。
关键词：柔性电极，纳米纤维素，石墨烯，二氧化锰
- 研究背景及意义
随着科技制造的迅速发展，科研工作对于导电材料的性能要求越来越苛刻。尤其在便携式、可穿戴式电子设备以及生物医学器械等方面急需先进绿色技术的储能器，对其机械性能要求更高[3]。超级电容器作为性能优良并且发展前景良好的储能材料得到广泛应用。石墨烯作为优良的导电材料[4]，具备非常优异的电学性能，不过其机械脆性对理论比电容有很大影响[1]。二氧化锰作为较高的理论比电容材料，与石墨烯进行协同作用，可以制备性能优良的复合材料[5]。在加入绿色可再生的纳米纤维素纤维[6]，在多重物理交联间的协同作用以及纳米材料的良好机械性能，可以赋予柔性电极良好的机械性能[7]。同时纳米纤维素作为模板，凭借其固有的水相分散性搭载导电物质形成均匀的导电复合物，解决了导电物质因易团聚导致的难以均匀分散的问题，有利于复合电极导电性能的提高。
2 国内外研究现状
2.1超级电容器概述及研究进展
超级电容器是由电极材料、电解质、集流体和隔离膜等部分组成的。正负电极置于电解质中，中间放置隔离膜将正负电极分开，用来防止其短路。超级电容器具有高功率密度、长循环寿命、快速充放电及操作安全等优异特性，在先进绿色的新型储能器件方面有着广阔的前景[8]。目前由于超级电容器的能量密度较低所以无法满足现实需求[9]。电极材料是超级电容器的重要组成部分，对于超级电容器的性能有着非常关键的作用。研究开发性能优异的电极材料具有非常重要的意义。由于碳材料具有较高的比表面积以及优异的导电性能，所以具备非常好的应用前景[5]。
2.2柔性电极研究现状
柔性电极（Flexible Electrode）是在复杂变形的情况下仍能正常工作并具有优良导电能力的电极材料。在最近的研究过程中，采用本征柔性材料组装和刚性材料柔性化设计两种研究方法获得柔性储能器取得了有效的进展。例如金属纤维材料的铝、铜，聚合物纤维的聚吡咯、聚苯胺，碳基材料的碳纳米纤维[10]、碳纳米管、石墨烯，由于他们本身具有本征柔性特性，故而在柔性储能器中取得了较多的进展。还有一些像钴酸锂、钛酸锂等无机刚性材料由于脆性较大的影响，需要设计合理的结构从而实现柔性。
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