综述：先进纤维素基材料在柔性储能系统中的应用

这篇综述全面探讨了纤维素基材料在柔性储能系统（如超级电容器SC、锂离子电池LIB、锌离子电池ZIB等）中的前沿应用。文章系统梳理了纤维素从分子结构到多维形态（1D纤维/2D薄膜/3D气凝胶）的设计策略，重点分析了其作为电极、隔膜、电解质的性能优势（如机械强度>200 MPa、离子电导率>100 mS cm-1 ），并展望了环境友好型储能器件的发展挑战。

　　

先进纤维素基材料在柔性储能系统中的应用

引言

随着便携式电子、可穿戴设备和健康监测系统的快速发展，柔性储能系统如超级电容器（SC）、锂离子电池（LIB）和新兴电池技术成为研究热点。面对环境污染和化石资源枯竭的挑战，利用可再生资源开发先进柔性材料变得尤为重要。纤维素作为地球上最丰富的天然聚合物，因其独特的结构和性能成为理想选择。

纤维素的结构与特性

纤维素是由β-D-吡喃葡萄糖单元通过β-1,4-糖苷键连接而成的线性链，其丰富的羟基（-OH）可形成分子间和分子内氢键，赋予其高机械强度（杨氏模量达138 GPa）和可调化学结构。根据纤维尺寸，纤维素可分为微米级纤维素纤维和纳米级纤维素（如纤维素纳米纤维CNF、纤维素纳米晶体CNC和细菌纤维素BC）。

纤维素基柔性材料的制备与结构设计

1D纤维与长丝
通过湿法纺丝、静电纺丝和3D打印等技术，纤维素可加工成高性能纤维电极。例如，CNF/碳纳米管（CNT）/MnO₂
复合纤维通过湿法纺丝制备，拉伸强度达55 MPa，适用于锌离子电池（ZIB）。MXene/CNF混合纤维则展现出916.0 S cm^-1
的高电导率，适用于SC电极。

2D薄膜与膜
通过溶解-再生、过滤和自组装等方法，纤维素可制成柔性薄膜。例如，CNF-SO₃
Zn膜通过真空过滤制备，具有210.3 MPa的拉伸强度和0.7的Zn²⁺
迁移数，是ZIB的理想隔膜。此外，纤维素/聚偏氟乙烯（PVDF）介电薄膜通过溶解和铸造获得，其击穿强度达3.70 MV cm^-1
。

3D水凝胶与气凝胶
纤维素基水凝胶通过物理/化学交联制备，具有优异的机械性能和离子电导率。例如，纤维素/BT（膨润土）超分子水凝胶的压缩强度达3.2 MPa，离子电导率为89.9 mS cm^-1
。气凝胶则通过定向冷冻干燥和碳化获得，如MXene/CNF/还原氧化石墨烯（rGO）气凝胶可承受80%的压缩应变，适用于SC电极。

在储能器件中的应用

超级电容器（SC）
纤维素基材料在SC中作为电极和电解质表现突出。例如，rGO/CNF薄膜的比电容达98.61 mF cm^-2
（1 mA cm^-2
），而CNF/聚丙烯酰胺（PAM）水凝胶电解质的离子电导率为26 mS cm^-1
，适用于柔性SC。

锂离子电池（LIB）
纤维素衍生物如羧甲基纤维素（CMC）作为粘结剂替代传统的PVDF，可提升电极稳定性。例如，FePS₃
-纳米纤维素电极通过真空过滤制备，展现出高循环稳定性。此外，纤维素基隔膜（如CNF-木质素磺酸钠复合膜）的热稳定性优于商用聚烯烃隔膜。

其他电池
在钠离子电池（NIB）中，纤维素基硬碳阳极的初始库仑效率（ICE）达93%。在锂硫电池（LSB）中，细菌纤维素（BC）衍生的碳材料可抑制多硫化物的穿梭效应。在锌空气电池（ZAB）中，CNF基水凝胶电解质在-80°C仍保持24.73 S m^-1
的高电导率。

挑战与展望

尽管纤维素基材料在柔性储能中展现出巨大潜力，但仍需解决以下问题：

1. 电化学性能与机械柔性的平衡：需通过分级复合设计（如核壳结构）优化导电网络。
2. 长期循环稳定性：动态键引入或自修复机制可延长器件寿命。
3. 环境耐久性：表面疏水改性或封装技术可提升耐湿性。
4. 多功能集成：开发兼具能量存储与传感功能的器件是未来方向。

纤维素基材料以其可再生、高性能和多功能的特点，为下一代柔性储能系统提供了可持续解决方案。