纳米纤维素：即将引起全世界关注的纳米新材料

纳米纤维素作为一种新型绿色纳米材料，近年来在储能领域受到了广泛关注。除了储量丰富、循环可再生的天然优势外，纳米纤维素还具有精细的纳米结构、良好的力学强度和较低的热膨胀系数等优点。在失水状态下，纳米纤维素可在氢键、范德华力或静电力等非价键力作用下自发形成自组装薄膜，这种新型膜材料具有离子扩散快、耐高温等性能优势，在金属离子电池、超级电容器等储能器件用隔膜和电极材料领域具有广阔的应用前景。此外，纳米纤维素还可通过凝胶化形成 三维网络多孔结构，与无机纳米子、金属离子及其氧化物、碳材料、导电高分子等光电材料复合可形成具有导电和储能效应的多功能复合材料。

纳米纤维素来源( 包括植物、动物和微生物) 广泛、储量丰富， 是人类近期难以人工合成的材料之一。根据材料来源、制备方法及纤维形态不同，纳米纤 维素可分为纤维素纳米晶体(CNC)、纤维素纳米纤丝(CNF)、细菌合成纳米纤 维(BNC)和静电纺丝纤维(ECC)4大类。

纳米纤维素在储能领域中的应用纳米纤维素本身具有良好的柔韧性和机械性能，纤维之间彼此交错连接，易形成便于离子和电子传输的多孔结构。纤维表面还附有羟基、羧基等亲水性官能团，在电解质溶液中具有良好的保湿能力，在储能领域应用前景广阔。目前，国内外研究者对纳米纤维素基储能材料的研究主要集中于纳米纤维素基隔膜材料和纳米纤维素基电极材料 2 方面。

1 纳米纤维素基隔膜材料

隔膜的主要功能是隔离电极正负极材料， 只允许离子在正负极之间快速传输， 是储能器件中关键的内层组件之一。隔膜性能的优劣直接影响储能器件内阻、放电容量、循环使用寿命和电池安全性能的好坏。常用的商业电池隔膜，如聚丙烯 /聚乙烯 /聚丙烯( PP /PE /PP) 复合隔膜等机械性能和热稳定性能较差，在高电流密度充放电条件下，易被击穿而造成电池短路现象；此外，其低孔隙结构及在电解液中的润湿能力不佳严重阻碍了储能器件中离子的快速转移，难以满足储能器件高能量密度和高功率密度的需求。

2 纳米纤维素基电极材料

与纤维素微纤维相比，纳米纤维素具有更精细的纳米结构和较高的比表面积，通过高温炭化、原位化学聚合和电化学沉积等方式可与电极材料复合，获得更精细的纳米结构和更优异的电化学性能。

2.1 纳米纤维素基碳纤维材料 碳纤维材料具有高可逆性和安全性， 是现今应用*广的储能器件电极材料。近年来，以糖类、聚合物和纤维素为前驱体制备的碳纳米纤维拥有大表面积和多维的网络结构，用于储能器件电极材料表现出高度可逆性和良好的循环性能，受到了研究者的广泛关注。

2. 2 纳米纤维素基二维纳米材料 二维纳米材料是指只在 1 个 维 度 上 具 有 纳 米 尺 寸 ( 通常 ≤10 nm) 而在另 2 个维度上具备宏观尺寸的纳米材料，包括石墨烯、氮化硼( BN) 、二硫化钼( MoS2 ) 和硫化钨( WS2) 等。由于具有优异的力学性能、高比表面积和高导电率等优点， 二维纳米材料在能量存储与转化、传感器及柔性电子器件等领域具有广阔的应用前景。但由于表面基团少、化学活性低，二维纳米材料在溶液中常出现团聚或分散不均等现象，在使用前需添加表面活化剂或对其进行化学氧化反应处理，使其表面具备多种含氧基团以改善其表面活性。

2.3 纳米纤维素基导电高分子材料 高分子导电聚 合 物， 如 聚 吡 咯 (PPy) 、聚苯胺(PANI) 和聚噻吩 ( PTh)等，具有高理论电容量、快速氧化还原切换能力和高导电性等优势，现广泛用于电池、传感器、抗静电保护层和柔性电子器件等领域， 具有极大发展潜力。但由于导电聚合物高分子成型不易控制、电子传递效率低、实 际 比 电 容 不 佳， 其 实 际 应 用 受到极大限制。

2. 4 纳米纤维素基多元复合材料 为了构建更加精细、有效的纳米电极结构，进一步提升纳米纤维素基电极材料的电化学性能，常采用炭化、化学原位聚合、电化学沉积、水热反应和自组装等方式制备纳米纤维素基多元复合材料。

尽管纳米纤维素用于制备新型储能器件已得到广泛关注，但纳米纤维 素与电极材料之间的复合方式、界面相容性以及微观形貌调控等基础理论研究尚处于起步阶段，如何*大限度发挥纳米纤维素的尺寸和性能优势，构建具有更加精细的纳米结构及高转化效率的储能器件是下一步需要攻克的主要难题。因此，纳米纤维素未来在储能领域的研究应围绕以下几个方面展开:

1) 纳米纤维素尺寸及自组装复合薄膜孔隙结构调控；2) 纳米纤维素的多功能修饰， 拓宽其在多种储能器件电解液中的应用范围；3) 优化物理混合、化学原位聚合和自组装等复合工艺，充分发挥纳米纤维素的模板优势，构建尺寸更加精细化的纳米电极材料；4) 改善纳米纤维素和电极材料的混合均匀性和界面相容性， 进一步提高纳米复合材料的力学和电化学性能；5) 充分利用真空冷冻干燥及CO2超临界干燥手段，提高复合电极材料的比表面积，构建高能量转换效率的三维储能材料。通过解决上述问题，相信在不久的将来，纳米纤维素必将在储能领 域得到大规模应用。

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