纳米纤维基柔性透明电极的研究进展

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1. 文章导读

柔性、可拉伸透明电极是智能柔性光电器件领域广泛应用的重要材料之一。由于传统氧化铟锡(ITO)电极存在柔韧性和可拉伸性差的局限性，近年来出现了金属薄膜、金属纳米线和导电网格等替代电极。然而，这些电极材料难以同时具有优异的柔韧性、可拉伸性和光电性能。导电纳米纤维是具有大比表面积的连续、超长一维导电材料。由于其独特的结构，纳米纤维基柔性透明电极具有优异的导电性和透光性，以及良好的抗弯曲和拉伸性能。并且其制备工艺更为成熟简单，具有良好的成本优势，适合工业化生产。纳米纤维的独特优势使其成为柔性透明电子应用的理想选择。近期，青岛理工大学机械与汽车工程学院朱晓阳副教授、兰红波教授、张厚超博士等在SCI期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上发表了题为《纳米纤维基柔性透明电极的研究进展》的长篇综述，从材料、制备工艺、智能应用的角度对纳米纤维基柔性透明电极进行了深入而全面的综述，如图1所示。最后，阐述了纳米纤维基柔性透明电极在智能光电领域应用所面临的挑战和未来的发展趋势。

亮点：
● 综述了用于柔性透明电极的各种纳米纤维材料的主要性能、优点和局限性。特别是它们的电导率、透光率、弯曲和拉伸性能是衡量一种电极未来能否实现工业化应用的重要因素。● 总结并分析了目前用于制备纳米纤维基柔性透明电极的各种增材制造技术以及它们独特的优点和需要改进的不足。● 综述了纳米纤维基柔性透明电极在柔性光电子领域的最新应用进展，分析了智能柔性光电子器件的未来发展方向。● 分析了目前纳米纤维基柔性透明电极在材料、制备工艺、柔性光电应用等方面存在的问题和面临的挑战，展望了其未来的发展方向并提出了一系列有前景的研究策略。

图1 纳米纤维基柔性透明电极的材料及应用。

2. 研究背景

柔性透明电极具有高导电性、透明性和机械柔性等特点，是智能柔性光电器件领域广泛应用的重要材料之一。随着智能电子设备的快速发展，对柔性透明电极的性能和工业生产能力提出了更高的要求。传统氧化铟锡(ITO)电极由于其固有的脆性、制备工艺复杂、原料储量有限、不环保等缺点，极大地限制了其应用。近年来，出现了许多ITO电极替代品。根据导电材料的种类，大致可分为碳基材料、导电高分子材料、金属基材料、复合/杂化材料等。这些新兴材料具有更好的光电性能和附加性能(优异的柔韧性和拉伸性能，更低的原材料和加工成本，更好的物理和化学稳定性)。然而，柔性透明电极的性能不仅与导电材料的类型有关，还与导电材料的结构密切相关。根据导电材料本身结构的不同，大致可分为连续均匀导电薄膜、金属纳米线、导电颗粒网格、导电纳米纤维等。在这些不同的导电材料结构中，纳米纤维由于其独特的结构(连续超长一维导电材料、极大长径比、大比表面积等)，表现出优异的导电性、透光性、物理和化学性能，以及良好的弯曲和拉伸性能，被认为是高性能透明电极的理想材料之一。本文从材料选择、制备工艺、应用领域等多个角度对纳米纤维基柔性透明电极进行了全面的综述。

3.最新进展

纳米纤维材料的使用具有良好的可扩展性，可由金属/金属化合物、碳基材料、导电聚合物、复合材料等制备。金属基材料具有制备工艺简单、电阻率低等优点，广泛应用于柔性电加热器、电子显示等领域。但其较差的弯曲和拉伸性能需要进一步优化。此外，这类材料中的光散射现象对电极的光电性能有显著影响。导电聚合物具有透明度高、柔韧性好等优点。碳基材料具有比表面积大、液体渗透性好、化学稳定性好、易制备成多孔结构等特点，在柔性可穿戴设备、可充电电池、超级电容器等方面具有广阔的应用前景。碳基材料和导电聚合物的导电性差是限制其高性能应用的关键因素。大量研究表明，复合材料(如均匀混合材料、核/壳结构材料等)具有优异的综合性能。通过将功能颗粒混合到纳米纤维中或将功能层材料包裹在表面，可以改善基材纤维的短板，增强导电性、耐腐蚀性、弯曲和拉伸性能，或降低雾度。它具有单一材料不具备的优点，但这是以增加工艺复杂性和成本为代价的。

图2 不同透明电极材料的特性比较。

本文还介绍了多种纳米纤维制备技术，如静电纺丝、气相沉积、电镀、化学镀、掺杂、纳米压印等。要生产高性能的柔性透明电极材料，单一技术的应用已经难以满足要求。多种技术协同应用可显著提高纳米纤维的导电性、机械柔韧性、物理化学稳定性。例如，静电纺丝与气相沉积或化学镀技术相结合，可以有效地解决纳米纤维的接触电阻问题，提高电性能，或者通过在纳米纤维表面沉积一层惰性材料来显著提高电极的稳定性等。

图3 复合工艺制备的纳米纤维基柔性透明电极。(a-e)CuZr纳米纤维网络柔性透明电极，经许可转载，版权所有(2015), ACS。(f-j)柔性透明电磁屏蔽膜，经许可转载，版权所有(2021), ACS。(k-n)嵌入式Ag纳米纤维网络柔性透明电极，经许可转载，版权所有(2019), Elsevier。

纳米纤维是一种超长导电材料，具有极高的长径比，可以提供大的比表面积和连续的电荷传输途径。这种结构特点有利于制造高性能能源器件，如柔性超级电容器、太阳能电池等。可穿戴柔性电子器件也是近年来的一个研究热点，它主要由一些微传感器、储能器件、柔性电路等组成。这种设备要求电极重量轻、柔韧、可穿戴。考虑到纳米纤维的结构特点、优异的光电性能和机械灵活性，它们在可穿戴柔性电子器件领域具有巨大的应用前景。

图4 纳米纤维在柔性传感器中的应用。(a-f)自供电摩擦电触觉传感器，经许可转载，版权所有(2018), WILEY-VCH。(g-l)皮肤电极，经许可转载，版权所有(2018)， ACS。(m-p)压力应变传感器，经许可转载，版权所有(2019), WILEY-VCH。

4. 未来展望

纳米纤维为高性能柔性透明电极的制备提供了一种很有前途的方案。然而，为了满足未来柔性器件的高性能和工业化生产的要求，还有许多问题需要研究。如：

（1）性能优化和权衡

光电性能作为柔性透明电极的关键性能一直是研究的热点。虽然导电纳米纤维具有超细直径、大比表面积、超长导电路径等优点，比其他结构的电极具有更好的透光率和电导率，但仍存在透光率和电导率相互制约的问题。目前，关于纳米纤维柔性透明电极的报道大多是无序结构。当具有这种结构的电极受到拉伸等外力作用时，无序的纤维结构可以通过变形和重排减少阻力变化，因此具有一定的柔韧性和拉伸性。然而，结构无序的纳米纤维使得电极的性能是不可调的和不可重复的。因此，目前基于纳米纤维的柔性透明电极不仅面临透光率与电导率的权衡，还面临纳米纤维有序与无序的权衡。

（2）工业化高效生产

随着市场对柔性电子器件需求的不断增加，柔性电子器件的制造必须满足工业生产的要求。因此，优化制造工艺，发展高效、大面积、大批量生产技术是亟待解决的问题。同时，由于大规模工业化生产的要求，电极的制造成本是一个不可忽视的重要因素。因此，开发新材料或新工艺以实现低成本制备高性能纳米纤维基柔性透明电极是一个重要的研究方向。

（3）兼容多功能应用

纳米纤维的独特结构特点使其在柔性储能设备、柔性显示设备、可穿戴智能设备等方面具有广阔的应用前景。未来柔性电子器件将向多功能、集成化方向发展。设备的不同功能需要依靠不同材料实现。多功能、多材料集成制造将成为研究的热点。同时，为了使器件具有良好的可穿戴性和安全性，提高器件的基质材料与皮肤之间的粘附性，开发具有良好透气性和生物相容性的材料仍然是该领域的挑战之一。

（4）可持续发展

为了实现可持续发展，在研究和生产高性能柔性透明电极的同时，环保的重要性不容忽视。在材料方面，传统的电极材料难以降解，容易污染环境。使用可降解、可回收和生物相容的材料将是一个很好的解决方案。在技术方面，应进一步探索更经济、更环保的制造工艺。在应用方面，自然能源作为清洁能源备受关注。充分利用这种能源可以有效地减少碳排放，实现碳中和。随着各国对环保和可再生能源需求的不断提高，高性能太阳能电池等清洁能源器件的开发是值得研究人员进一步探索的热点领域。