柔性电极材料的国内外研究进展*

2021-03-08武畏志鹏宁南英

功能材料 2021年2期

武畏志鹏，邹华，宁南英，田明

(北京化工大学材料科学与工程学院，北京 100029)

0 引言

电极材料属于一种导体材料，用作固体、气体或电解质溶液等导电介质中输入或输出电流的两个端。柔性电极一般用在介电弹性体或超级电容器中，所以它们必须在保持导电性的同时具备轻薄、大形变、高可拉伸性的特点，能够进行数百万次的循环。在介电弹性体及超级电容器中，由于电极材料是与橡胶或电解质配合使用，需要通过形变输出或储存电能。因而，为了提高能量的输出，电极材料必须足够柔顺，降低对电介质刚度的影响。另外，与普通电极不同的是，柔性电极能够在电介质基体上形成精确的图案，使电荷可以在规定的位置工作，从而允许在单个膜上具有多个电极和明确定义的独立有源区域的复杂结构。Pelrine等[1]人说过：“理想电极具有高导电性，完全柔顺且可图案化，并且相对于基体厚度可以更薄。”基于柔性电极材料的不同类型，我们将其分为碳电极、金属电极、复合型电极三类。

1 碳电极

1.1 炭黑电极

导电炭黑是一种有着较低电导率的半导体材料，将其分散到特殊制品中，可使制品起到导电或防静电的作用。其特点为粒径小，比表面积大且粗糙，结构度高，表面洁净(化合物少)等。采用刷涂或喷涂的方式将炭黑粉末通过物理作用黏附在DE基体上是早期介电弹性体致动器(DEA)用柔性电极的主要材料。由于炭黑粒子间没有强的相互作用力，所以导电炭黑的主要优点是其对DE基体的刚度不产生影响。但是炭黑电极也有以下两个缺点影响其导电性：一是由于炭黑粒子间相互作用弱，所以在大应变下电极会产生断裂带，切断了电荷传输路径；二是在反复拉伸-回复过程中，炭黑粉末会产生脱落。Pelrine等[1]人通过喷涂的方式将溶解于有机溶剂中的碳粉喷洒在预应变为32%的DE基体上。待溶液挥发后，碳粉附着在DE基体上，制成介电弹性体致动器(DEA)。研究表明，在300 V电压下DEA的形变量达到20%。张治安等[2]人利用油压机，将高比表面积、高导电性的工业炭黑固定到集流体上，制成电极片。研究结果表明使用纯炭黑作为柔性电极材料的比容量大约为60～70 F/g，相对较低。

1.2 碳纳米管电极

碳纳米管是一种具有高机械强度、良好导电性的一维纳米材料，可应用于高强度复合材料、信息存储、纳米电子器件等。由于碳纳米管有着大长径比、高比表面积以及良好的导电性等特点，使得其作为柔性电极材料在DEG和DEA上有着广泛的应用。张东智等[3]人将CNT用静电自组装的方法粘附在DE基体上，制备出了28μm后的DEG。与手套结合，制成了手套式发电机，如图1所示。研究表明，当手指弯曲90°C，此时为可输出的最大电压，大约为3.7 V，如图2所示。接着该团队又制备出鞋垫式发电机，通过足部运动使介电弹性体产生压缩-回复的变化。研究表明，DE的相对介电常数为12，可输出的最大电压为1 V，最大电容为1.37 nF。

图1 手指弯曲度检测示意图

图2 不同弯曲角度下EAP薄膜的输出电压-时间曲线

近年来研究人员对CNT不断的深入研究，使得其也迅速成为超级电容器领域的研究热点。Du等[4]以镍片做衬底，使用CNT分散液将CNT均匀分散，制备出了排列整齐的CNT电极。研究表明，其质量比容量为20 F/g，功率密度为30 kW/kg。Zhao等[5]采用喷涂的方法将多壁碳纳米(MWCNT)管固定到钢网上，如图3所示，制备出了质量比容量为155 F/g的碳纳米管电极。经过100次弯折循环后，MWCNT没有脱落，表现出优异的循环稳定性。

图3 通过静电相互作用保持的PEI/CNT膜排列示意图

1.3 石墨烯电极

石墨烯具有导电导热性好、比表面积大、循环寿命长，机械强度高等特点，并且在水性电解质中有着优异的耐腐蚀性，使得其在柔性电极方面运用广泛。Chen等[6]人采用真空抽滤的方法制备了超薄透明的石墨烯薄膜(厚度为25～100 nm)，测试结果表明，薄膜的电导率在800～1 000 s/m。将其应用到超级电容器时，25 nm的薄膜比电容为135 F/g，功率密度为7.2kW/kg，透光率70%。随着厚度的增加，性能降低。Holloway等[7]人使用射频等离子体增强化学气相沉积工艺在加热的镍基板上直接生长了垂直取向的石墨烯纳米片，如图4所示。测试结果表明，其比表面积约为1 100 m2/g，120Hz下比电容为175 F/cm2。Wang等[8]采用氧化还原法得到了单层石墨烯，验证了单层石墨烯作为电极材料的优势。研究表明，在电解质水溶液中以28.5 Wh/kg的能量密度获得的最大比电容为205 F/g，功率密度为10 kW/kg。并且经过1 200次循环测试后保留了约90%的比电容，显示出优异的循环稳定性。

图4 不同生长时间下垂直取向石墨烯纳米片的SEM照片

1.4 碳纤维电极

由于碳纤维有着极高的纵横比，使得其有着良好的电子传输路径，导电性优异。并且碳纤维还有着高度可修饰的纳米结构、良好的循环使用寿命等特点。近年来，以碳纤维作为柔性电极也成为了超级电容器领域的研究热点。ZHOU等[9]

通过对碳纤维进行酸氧化处理，制备出了多孔核-壳碳纤维。研究表明，0.5 A/g电流密度下，比电容为98 F/g。在1 A/g的电流密度下进行3 000次充放电循环后，电容保持率约为96%。表现出出色的电化学性能和机械性能以及良好的循环稳定性。Liu等[10]用生物型棉纤维制备出碳纤维，通过一定程度的煅烧来塑造多孔微管结构，作为电极材料。研究表明，其比表面积约为584.49 m2/g。在0.3A/g的电路密度下，比容量约为221.72F/g，经过两次6000次循环后，电容的损失率仅有4.6%。

2 金属电极

虽然金属材料作为电极有着优良的导电性，但其也有两个非常明显的缺点：一是金属的杨氏非常高，通常高于介电弹性体几个数量级，会增加基体的刚度。Rosset等[11]人通过研究表明，在30.6 μm的硅橡胶上溅射8 nm的金层，使得基体的模量由最初的0.77 MPa增加到了4.2 MPa，增长率达到440%。二是金属的弹性极限在2%～3%，若超过该极限金属将会破裂，阻碍电子的传输路径，影响导电性。为提高金属的柔韧性，许多研究人员进行了广泛的探索。目前常用的方法主要有三种：(1)改变金属电极的形貌来提高柔韧性，如褶皱电极、波纹电极等；(2)将金属做到纳米级尺度；(3)使用液态金属。

Lacour等[12]人将Au沉积到因加热而膨胀的硅橡胶基体上。然后将硅橡胶冷却至室温，使其恢复原状，这时硅橡胶表面产生褶皱金属，如图5(a)所示。研究表明，在23%的应变下Au仍具有导电性，此时已远远超过了Au的屈服应变。接着该团队在10%～20%预拉伸的硅橡胶基体上沉积厚度为25nm的Au电极，撤去外力后基体恢复原状产生褶皱金属。研究表明，Au电极最大可拉伸至28%仍保持导电性，如图5(b)所示。Benslimane等[13]人将橡胶放在具有正弦波纹轮廓的模具上硫化，制备具有波纹形状的弹性体，并在其上沉积Ag。研究表明，Ag电极最大可拉伸至33%仍保持导电性。

图5 (a)15%预拉伸释放后的金表面波的三维轮廓；(b)机械循环过程中的电阻介于0%和15%之间

纳米材料与传统材料不同的是，纳米材料通常具有表面与界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等特性，因而纳米材料具有独特的光学、电学、磁学、热学、力学等方面的性质。正因为如此，纳米金属材料与宏观金属材料相比具有更优异的综合性能，可弥补宏观材料的一些不足。Chen等[14]人通过使用具有适当离子强度的电解质溶液处理银纳米线(AgNW)，如图6所示，可以解吸其表面的绝缘活性剂层(聚乙烯吡咯烷酮，PVP)。研究表明，制备的AgNW膜电导率显著提高，电阻仅为26.4 Ω/sq，透光率为92.5%，并且使AgNW网络更加致密。弯曲循环4 000次后，电导率几乎无变化，显示出良好的循环稳定性。Lee等[15]人通过对大长径比(长度>100 μm)的AgNWs进行固溶处理，随后通过低温纳米焊接形成渗流网络，开发出具有高度可拉伸性的金属电极。研究表明，其方阻仅为9 Ω/sq，最大可拉伸至460%。Cu的导电性与Ag相差不多，而价格仅为Ag的1%，而且储量巨大。所以铜纳米线(CuNWs)因为其极高的性价比而受到广泛的关注。Zeng等[16]人在低温(60 ℃)下，通过水还原途径制备出了直径为90～120 nm、长度为40～50 μm的大长径比CuNWs。Wiley等[17]人改进了制备方法，换用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)加入到混合液中，以防止CuNW的聚集，并且降低反应温度，在冰水浴中生长CuNW，得到了直径<60 nm、长度>20 μm的具有更大长径比的高透光率的CuNW，然后将其涂覆到聚合物基材上。研究表明，CuNW薄膜具有优良的导电性，电阻为30 Ω/sq，透光率为85%。经过1 000次弯折循环后，薄膜电导率无明显变化。

图6 (a)不同电解质溶液处理后AgNW薄膜的薄层电阻的相对变化；(b)电解质溶液处理后的AgNW网络的SEM图像

液态金属一般采用低温熔炼制备工艺，将不同的金属材料(多以镓、铟类合金为基础材料)按照一定的配比，通过温度控制使其充分融合而形成，是一种不定型、可流动的特殊金属材料。因而其在拥有高导电性的同时还有这极高的柔韧性(杨氏模量几乎为0)。但是由于其具有流动性，若不加以复合或封装则无法使用。

3 复合电极

不管是碳电极还是金属电极，在他们单独使用时总会有许多不尽人意之处，使得它们的性能无法发挥到极致。所以目前对于柔性电极的研究多集中于碳-碳、碳-金属、碳(金属)-聚合物等复合材料上，以弥补各自性能上的不足。以下我们将把复合型电极分为本征型电极和填充型电极两类。

3.1 本征型电极

我们将本征型复合电极定义为主要由两种或两种以上的具有导电能力的材料构成的电极。如碳材料(碳纳米管、碳纤维、石墨烯)、纳米金属材料和导电聚合物(聚吡咯、聚苯胺)等本身就有着非常高的柔韧性，将其选择性的进行复合，以期望获得性能上的提升。

具有优良导电性、大比表面积、高机械强度以及自支撑特性的石墨烯及其复合材料被认为是超级电容器的理想电极材料。冯先强等[18]人将碳纤维(CF)、沥青(MP)、石墨烯(G)3种材料通过真空抽滤法制备了具有三维网络结构的自支撑G-CF-MP复合薄膜。研究表明，沥青在其中增强了碳纤维与石墨烯的粘结强度，使得网络结构更加稳定。3种材料协同作用，提高了薄膜的导电性，方阻仅为0.229Ω/sq。聚苯胺(PANI)具有简单易得、电容值高、化学稳定性强等特点，在超级电容器的电极材料中有着非常广泛应用。尚嘉茵等[19]利用原位聚合、层-层自组装的方法将MWCNT、GQD、PANI负载至碳布表面，制备出了MWNT/GQD/PANI/碳布柔性电极材料，如图7所示。研究表明，MWCNT/GQD提高了PANI在碳布上的负载量，且分布更加均匀。电极材料的比电容为361.5 mF/cm2，经过1000次循环后，电容损失率为15%。

图7 MWNT/GQD/PANI/碳布柔性织物电极制备示意图

二氧化锰作是一种电化学活性和比电容高的过渡金属氧化物，但是其导电性较差。张燕等[20]人以柔性CNT薄膜为基底，通过水热法将MnO2覆盖在CNT薄膜上，制备出CNT/MnO2复合电极材料，如图8所示。研究表明，MnO2呈现泡沫状，使得薄膜具有较大的比表面积，提高了薄膜电极的比电容，达到了297F/g。经过500次充放电循环后，电容损失率仅为6%，显示出良好的循环稳定性，如图9所示。张亚妮等[21]人发明了一种专利。将过渡金属(TM)层溅射到碳纤维(CF)表面，采用原位生长法将CNT覆盖在其表面。制备出CF/TM/CNT柔性复合电极材料。结果表明，电极材料柔韧性高、寿命长，电导率高达104 S/cm。

图8 碳纳米管膜/MnO2电极材料的透射电镜图

图9 碳纳米管膜和碳纳米管膜/MnO2电极材料的循环稳定性曲线

纳米金属材料长时间暴露在空气中时极易被氧化，影响其电学性能。由于石墨烯能够对水和氧气进行有效的隔绝，以及自身优异的化学稳定性，当其覆盖在金属表面时，能够保护金属材料不被氧化。Chen等[22]人通过在金属上生长石墨烯，将石墨烯包裹在金属表面，然后在200℃的环境中加热4小时。研究表明，与未覆盖石墨烯的金属相比，被包裹金属的氧化速率得到了有效的减缓，且对金属的物理、化学性质没有影响。李云飞等[23]进一步改进工艺，采用化学气相沉积法在Cu纳米粒子表面原位生长石墨烯，制备出Cu纳米粒子-石墨烯复合结构。研究表明，Cu纳米粒子与石墨烯间的相互作用非常强，且抑制了Cu在空气中的氧化速度。Lee等[24]人通过真空抽滤法制备出了AgNW-SWCNT复合电极，如图10(a)，将其黏附到VHB 4910弹性体上，制成了DEA。研究表明，其应变高达146%，且相较于单独使用低初始电导率的AgNW电极时，加入少量CNT后，电极电阻下降了3个数量级，如图10(b)，击穿强度增加了183%。

图10 (a)掺入CNT后的AgNW的SEM图像；(b)四种不同的AgNW薄膜(S1-4)的薄层电阻(黑点掺入CNT之前，红点掺入CNT之后)

3.2 填充型电极

填充型电极一般是将导电性物质分散到聚合物中，在保证导电性的同时，又具有极强的柔韧性，能承受较大的应变。碳脂电极是将炭黑分散到硅油(低分子量硅胶)等一些粘性基质中，在DEA电极材料中有着广泛应用。碳脂电极模量低，有着优异的伸缩性能，不会阻碍DE基体的形变。但是其也有以下几个缺点：一是油脂在重力作用下会产生蠕变，降低电极的使用寿命，特别对与垂直存放的设备；二是油脂类物质随着时间推移会逐渐干涸，柔韧性降低；三是像硅油等油脂类材料一般都是绝缘的有机物，会影响炭黑等导电填料的电导率。

以炭黑为导电填料制成的导电橡胶是常用的电极材料。橡胶本身是绝缘性材料，若想使橡胶复合材料具有一定的导电性，那么炭黑的填充量必须高于逾渗阈值。黄英等[25]人分别用N330、ECP和CB3100三种炭黑填充硅橡胶制成了导电硅橡胶，探究其渗流现象。研究表明，当炭黑粒径越小、结构度越高、比表面积越大时，炭黑粒子在硅橡胶中的分散性就越好，逾渗阈值越小。孙宗学等[26]人将炭黑填充到通过点击化学反应接枝了3-巯基丙酸的甲基乙烯基硅橡胶(VMQ)中，制备出了导电硅橡胶复合电极材料，然后将其喷涂到VHB 4910丙烯酸酯弹性体上。测试结果表明电极不仅与基体的粘结性显著提高，而且在较小的电场下就能产生大的形变。Jiang等[27]人把用硅烷偶联剂KH550改性处理过的多壁碳纳米管(MWCNT)填充到硅橡胶中，制备出了导电硅橡胶复合电极材料。研究表明，与未经修饰的MWCNT相比，填料在硅橡胶中分散的更加均匀，电导率显著增强，这是因为经表面改性的MWCNT与硅橡胶的相互作用得到增强。张玉刚等[28]人将炭黑与碳纳米管并用，采用溶液共混法制备出了炭黑/CNT/硅橡胶复合电极材料。研究表明，相较于单独使用两种碳材料时，并用使得复合材料的导电网络更加稳定，这得益于近程网络和远程网络的协同互补作用，如图11所示，并且还可以减少导电填料的用量。

图11 炭黑和碳纳米管的协同效应

以纳米金属为导电填料制成的导电橡胶也是常用的电极材料。Liu等[29]人采用喷涂法将AgNW溶液喷涂在四氟板上，200 ℃下加热使AgNW间产生融合，然后将PDMS粘性液体覆盖在上面进行固化。完成后，AgNW嵌入在PDMS中，成功制备出可拉伸薄膜电极。研究表明，薄膜电阻为20Ω/sq，1 000次拉伸，弯折循环后，电导率无明显变化。Rosset等[30]人通过在弹性体表面下方的几十纳米处以低能量植入金属纳米团簇，如图12所示，这些金属粒子可以相对于彼此移动，因此形成比普通金属薄膜更柔顺的电极，并且因为它们位于弹性体基体内部，提高了纳米金属粒子在弹性体中的附着力，稳定性大大增强。雷海军等[31]人探究了金属填料的性质对硅橡胶复合材料性能的影响。结果发现，金属填料相同时，导电性与用量和细度有关，用量越大，细度越小，硅橡胶导电性就越好。复合金属系导电填料不仅可以减少金属的用量以降低成本，还可以提高填料整体的导电性。邹华等[32]人将镀镍石墨填充到甲基乙烯基硅橡胶中，制备出复合电极材料。结果表明，其拉伸性和导电性均较好。张立群等[33]人将镀镍石墨和镀镍碳纤维并用填充到硅橡胶中。研究表明，与单一材料填充相比，并用后所需的填料总量降低，复合材料硬度降低。且随着镀镍碳纤维比例的增加，逾渗阈值降低，导电稳定性提高。

图12 Au/PDMS纳米复合材料的TEM截面

液态金属在保持着高导电性的同时还有着接近于0的模量，柔韧性极高。Fassler等[34]人将液态金属(镓铟锡合金，液滴2～30 μm)填充到硅橡胶中，制备出了液态金属/硅橡胶复合材料，如图13所示。研究表明，复合材料柔韧性非常好，杨氏模量为0.9～1.27 MPa，最大形变量可达133%。产生形变时，表面压力使得液滴相互接触形成导电网络，电导率达到了1.05×104S/m。在无应力时，若想具有导电性，可与其他导电填料并用，在金属液滴间产生导通，形成导电网络。Zhu等[35]人将液态金属(共晶镓铟合金)注入到空心聚合物SEBS(三嵌段共聚物)纤维的芯中。研究表明，液态金属对纤维的机械性能无影响，电导率最大可达3×104S/cm。随着纤维拉伸程度的增加，电导率降低，500%时电导率约为5 S/cm，增加到700%时仍具有较好的导电性。Liang等[36]人将液态金属(镓铟锡合金)注入到PDMS海绵中，制备出液态金属海绵。结果表明，PDMS海绵不仅可以储存液态金属，还具有3D互连的多孔结构，形成电子传输通路，电导率最高可达1.62×104S/cm，在经过大量的拉伸-回复循环后，电导损失率小于7%。，循环稳定性优异。

图13 可拉伸的液态金属/PDMS薄片嵌入到PDMS薄层中

4 制备方法

电极材料作为DE和SC中最关键的组成部分，如何将其覆盖到基体材料上，并且能够满足特殊的需求(如特定的形状、特定的位置等)，是现阶段亟待解决的问题。目前常用的制备方法有喷涂/涂覆法、化学沉积法(化学气相沉积、液相沉积)、喷墨印刷法等。

4.1 喷涂/涂覆法

喷涂/涂敷方法是近年来基于传统成型技术上衍生而来的新技术，喷涂/涂敷工艺因具有设备简单、工艺易控制、掺杂方便等特点而被广泛应用。Shieh等[37]人通过在PDMS基体表面涂覆由石墨烯和多壁碳纳米管组成的混合电极，得到具有高比电容和良好循环稳定性的复合电极。2000次循环后，电容保持率达到93%。Jeong等[38]人通过喷涂技术将还原的氧化石墨烯(rGO)/单壁碳纳米管(SWNTs)复合材料涂覆到聚己内酯(PCL)基底上，以制备柔性超级电容器。结果表明，未弯曲时比电容为52.5F/g，经过500次弯曲循环后比电容降至37.5 F/g。接着又进行了不同弯曲角度下分别进行1000次充放电循环，电容仅下降约1%。Schlaak等[39]人将石墨悬浮液喷涂在硅橡胶上，然后再使硅橡胶交联固化，如此反复交替进行，开发出了一种可制造高达100层的DEA的生产方法。

4.2 化学沉积法

化学沉积法是通过氧化还原反应，将电极材料沉积在基体表面的一种化学反应过程。化学沉积法有气相沉积和液相沉积两种。Jayesh等[40]采用化学气相沉积法在碳纤维(CF)上合成了螺旋状盘绕的碳纳米管(HCNT)，制备出CF/HCNT复合电极。结果表明，电极的最大比电容为125.7F/g，经过不同弯曲角度下的充放电循环以及15000次的弯折循环后，比电容几乎没有损失。Jiang等[41]基于化学气相沉积法将镍纳米粒子沉积到碳纳米管上，制备出镍纳米粒子@碳纳米管(Ni@CNT)复合电极。使得Ni与CNT间无粘合剂，提高了电极材料的性能。结果表明，其能量密度为1.39 mWh/cm3，功率密度为440 mW/cm3，10 000次循环后仍具有良好的电化学稳定性，无电容损耗。Low等[42]人利用液相沉积法在高度拉伸4.2倍的丙烯酸酯橡胶基体上沉积银薄膜，然后松弛至2.5倍的预拉伸来制备褶皱电极。测试得到在1.8kV的电压下电极面积扩展至128%，并且具有良好的循环稳定性。

4.3 喷墨印刷法

喷墨印刷是通过计算机控制，将细墨流射在基材上。它具有工艺简单、成本低、无接触、无污染、生产周期短等特点，有着巨大的使用潜力。Mustonen等[43]人利用喷墨印刷的方法将由单壁碳纳米管/导电聚合物(PEDOT-PSS)组成的墨水沉积在基体上，制备出复合透明电极。结果表明，在低印刷重复率下，与PEDOT-PSS电极相比，复合电极显示出更高的电导率，这是因为碳纳米管在PEDOT-PSS导电相间建立了连接。90%的高透光率下，方阻为10 kΩ/sq。金属材料的导电性远远高于碳材料，因此金属墨水是现在最为最常用的。Dong等[44]人利用喷墨印刷法将高银含量的MOD(金属-有机分解)墨水沉积在PI基体上。结果表明，固化后膜电极的电阻率为8.6 μΩ·cm，大弯曲下电极也无破裂现象，表现出良好的柔韧性。

除了上述几种常用的方法外，还有电化学沉积法、激光刻蚀法、静电纺丝法、溅射法、湿法纺丝法、冲压法、3D打印法等多种方法。

图14 (a)(b)介电弹性体卫星夹持器示意图；(c)通过将三个DEMES旋转接头连接在一起形成的襟翼系统；(d)仿生鱼斜视图；(e)介电弹性体海浪发电机示意图

5 柔性电极材料的应用

介电弹性体致动器(DEA)和介电弹性体发电机(DEG)是由介电弹性体薄膜及其上下两侧的柔性电极组成的一种三明治结构。可将电能转化为机械能，也可将机械能转化为电能。DEA具有响应速度快、轻质、机电效率高、结构简单、成本低等特点。可用于人工肌肉、抓取机器人、软体仿生机器人等。DEG具有轻质、柔韧性好耐冲击、能量密度高、噪音低等特点。在海洋能量收集方面有着巨大的应用潜力。也可用于小型化/微型化发电领域，如：可穿戴设备等。随着科技的发展，DEA与DEG越来越引起人们的关注。

Araromi等[45]人将由炭黑填充的导电硅橡胶复合电极材料涂覆到PDMS基体上，制备出了介电弹性体致动器，用于卫星夹持器(重量小于0.65 g)，如图15(a、b)所示，以清理小型太空垃圾。研究结果表明，该装置可实现约60℃的尖端角度变化和0.8mN的抓紧力，并且实现了超过80 000次的循环。刘蕾等[46]人使用导电碳膏作为电极，VHB4910作为DE基体，制备出了介电弹性体致动器，用于一种抓取结构。测试结果表明，该抓取结构可实现19 ℃的变形回复，可抓取质量约1.77N的物体，承重能力较好。Zhao等[47]人将电极材料喷涂到以VHB4910为基底的DE膜上，制备出介电弹性体致动器，用于襟翼旋转关节，如图15(c)所示，以驱动飞行机器人。分析了DE的变形过程及特征，在有无电场的情况下，襟翼的弯曲角度产生变化。研究结果表明，襟翼的弯曲角度可超过180 ℃。Li等[48]人将水凝胶用作离子导电电极涂覆到DE(VHB4910)基体上，制备出介电弹性致动器，用作电子仿生鱼的驱动装置，如图15(d)所示。研究结果表明，施加循环电压时，鱼鳍和鱼尾通过周期性的摆动产生推动力，速度可达到6.4cm/s。Pelrine等[49]人将介电弹性体发电机用于收集海浪能量进行发电，如图15(e)所示。在海上实际测试过程中，发现该装置的发电效率受到介电弹性体使用量、浪高、偏置电压等的影响。但即使在10 cm的小浪高下，也能够产生1.2 W等峰值功率，平均功率0.25 W。尽管此功率非常小，但证明了该能量收集系统的效率。

柔性超级电容器具有轻质、柔韧性好、比电容高、功率密度与能量密度高、放电时间长、成本低等特点。最早应用于公交巴士，为其存储和提供能量，以产生驱动力。近年来，随着可穿戴设备以及一些小型传感器的逐渐普及，因而可小型轻质化的柔性超级电容器成为了储能装置的不二选择。

美国的Maxwell公司已经实现了电容为1-3400F的超级电容器单体或电压为16～160 V的模组的工业化生产，目前已装配了上万辆巴士，为其提供动力。我国的研究虽然起步较晚但发展得非常迅速。2006年，上海奥威科技有限公司在上海建成了世界上第一条商业化运营的电容公交线路，其所开发的超级电容器已接近于世界先进水平。杜连欢等[50]人利用水热法及超声抽滤法制备出了CNT/MnO2NT复合柔性电极，组装成了柔性超级电容器。测试结果表明，电流密度为16 mA/cm3时，比容量达到了5.1 F/cm3。功率密度为13.8 mW/cm3时，体积能量密度达到了0.45 mWh/cm3。并且设计制备了一个集成4个柔性超级电容器的表带，当超级电容器被充电至3.2 V后，成功的将一块电子手表点亮，持续供能9分钟后依然可以正常使用。

6 柔性电极材料面临的挑战

随着对介电弹性体致动器(DEA)、发电机(DEG)以及柔性超级电容器需求的日益增加，如何获得性能优异的柔性电极材料成为了制约其发展的主要问题之一。本文介绍了目前研究得比较多的几种柔性电极材料，虽然有些电极材料性能已经达到了使用要求，但几乎都还是处于实验室的研究阶段，实际生产与使用还面临着一系列挑战，需要进一步深入研究柔性电极材料所存在的问题：

(1)电极材料的各项性能。当电极材料用于DEA或DEG时，特别是用于DEG时，需要电极材料具备大形变(形变量>100%)、高导电性、高顺从性(柔韧性)、高粘接性以及高导电稳定性等特点。而导电性与柔韧性本身就存在一种负相关的关系，所以我们首要解决的是如何在保持高导电性的同时，也具有极其优异的柔韧性，防止电极材料阻碍DE基体的形变。其次，随着电极材料的形变量越大，其电导率会逐渐下降。这是由于形变量增大，导电物质间的距离增加，阻碍了电子的传输。所以，如何在大形变下仍然保持优异的导电稳定性也是需要我们亟待解决的。另外，电极材料与DE基体的粘结强度需要进一步提高。不仅是为了防止电极材料脱落，也是为了提高电极材料的顺从性，以使电极材料与DE基体可进行同步运动。

当电极材料用于柔性超级电容器时，首先，需要进一步提高其导电性、比电容、功率密度及能量密度。其次，需要进一步提高其柔韧性，循环稳定性等。

(2)电极材料的制备工艺。随着柔性可穿戴设备的逐渐普及，对新型储能装置的需求越来越高。而目前满足使用性能的电极材料仍处于实验室研究阶段，无法实现大规模的生产制备。

(3)缺乏统一的研究(评价)标准。目前我国对柔性电极材料的研究，没有可参照的评价标准。各家制备出的电极材料多与国外类似的电极材料进行比较，使得我国对于柔性电极材料的研究始终处于“跟跑”状态，无法实现大的突破。