电池、超级电容器、太阳能电池等能量存储与转换器件因在能量高效利用及便携式电子产品等领域的广阔应用前景而备受关注。随着消费电子产品小型化及可穿戴、可折叠柔性电子产品概念的提出，亟待开发能为之提供能量的轻、薄、柔性的储能器件。碳纳米管和石墨烯分别为典型的一维和二维碳质材料，具有比表面积大、导电性高、柔韧性好等结构和性能特征，因而是构建柔性能量存储与转换器件的理想材料之一。
最近，中科院金属所沈阳材料科学国家（联合）实验室先进炭材料研究部设计并制备出基于碳纳米管/石墨烯的柔性能量存储与转换器件，并发现其具有循环稳定性好、可快速充放电、可弯折等优异性能。例如，他们将石墨烯纳米片自组装在构成滤纸的纤维素纤维的孔隙中，制备出一种石墨烯/纤维素三维网状复合材料。该材料不仅秉承了纸的柔性，而且减少了石墨烯纳米片的堆叠团聚，并具有快速输运电解液离子的通道。将该复合材料作为超级电容器的电极，其单位面积电容量达到81mF/cm2，且经过5000次以上的充放电循环容量不衰减。利用该复合材料组装成的柔性超级电容器表现出超高的柔性，经过1000次以上弯折其储能性能基本保持不变（图1a）。三个串联超级电容器具有2.5伏以上的电压，足以点亮一只发光二极管（图1b），同时该柔性超级电容器可任意裁剪、折叠、卷曲成各种形状（图1c），其性能可满足射频标签等微功率应用的需要。由于纤维素纸价格低廉，他们也已开发出大批量、低成本生产石墨烯的技术，而且柔性石墨烯复合纸的制备工艺简单，因此该复合材料有望在柔性电子产品中获得应用。
与此同时，他们与天津大学杨全红教授及中科院物理所孟庆波研究员密切合作，在柔性石墨烯片层上生长出碳纳米管垂直阵列。由二维石墨烯和一维碳纳米管构成的全碳材料可作为高性能锂离子电池的负极材料和染料敏化太阳能电池的对电极材料。在传统的锂离子电池中，铜集流体及粘结剂相对活性物质占了较大比重。在该成果中，碳纳米管阵列直接生长在石墨烯基片上，二者结合紧密，整体导电性好、可弯折（图2a, b），无需使用任何导电添加剂就可直接作为碳质集流体，从而显著提高电池的能量密度和功率密度。半电池性能测试结果表明，该全碳电极具有高的库伦效率、良好的循环稳定性和较大的储锂容量（图2c）。在染料敏化太阳能电池中，该全碳材料可以高效催化I3-的还原，其能量转化效率达到传统铂电极的83%（图2d），有望替代资源稀缺的贵金属铂。因此该石墨烯-碳纳米管组装体有望在高性能柔性能量存储与转换器件中获得应用。
以上研究工作的主要内容已分别发表在国际学术期刊《先进能源材料》上(Advanced Energy Materials 2011, 1(4):486-490; Advanced Energy Materials 2011, 1(5):917-922)，并申请了中国发明专利。
图1 基于石墨烯/纤维素复合纸的超级电容器。a)该超级电容器在弯折与未弯折状态下的电化学性能几乎相同；b) 三个串联在一起的超级电容器点亮一只发光二极管；c) 裁剪成梳型电极的超级电容器。
 
图2 柔性碳纳米管阵列/石墨烯的形貌(a, b)及其作为锂电负极(c)和染料敏化太阳能电池对电极(d)的性能。