综述：用于储能应用的基于非织造纺织结构：材料、制备、表征与展望

《Advanced Materials Interfaces》：Nonwoven-Based Textile Architectures for Energy Storage Applications: Materials, Preparation, Characterization, and Prospects

　　

摘要译文：
日益增长的便携式电子设备、电动汽车和可穿戴器件需求，推动了柔性与可持续应用中储能系统的迫切发展需求。基于非织造（nonwoven）的纺织材料因其高孔隙率、互连纤维网络、机械柔性和轻质特征，近年来受到广泛关注；这些特征有助于实现高效离子传输、增强电极-电解质相互作用并提升器件性能。本综述从材料设计、制备策略、表征技术及潜在应用等方面，对基于非织造纺织材料的储能研究进行了系统阐述。文中讨论了多种材料体系，包括碳纤维、导电聚合物、金属氧化物以及杂化纳米复合材料，并说明其嵌入非织造骨架后可显著提升电化学性能。重点考察了静电纺丝（electrospinning）、熔喷（melt-blowing）、溶液吹纺（solution blow spinning）、相转化（phase inversion）及表面功能化等制备方法在调控纤维形貌、孔隙率与导电性方面的作用。该综述进一步探讨了其在超级电容器（SC）、锂离子电池（LIBs）、柔性电子和可穿戴储能器件中的实际应用，强调了其多功能性与可规模化潜力。最后，文章讨论了大规模制造、长期稳定性和导电性提升等当前挑战，并提出未来研究方向以克服这些障碍，凸显其推动下一代高效、柔性与可持续储能技术发展的潜力。

1 Introduction
文中指出，人口增长与电子产品制造技术进步共同推高了全球能源需求。电池与超级电容器（SCs）因具有较高能量密度和功率密度，仍是现代电子设备中最常见的电源形式；在可穿戴设备中，电池与SC技术同样占据主导地位，但传统器件寿命有限，制约了其在电子工业中的进一步应用。随着可穿戴、柔性、轻量化电源的需求增加，柔性电池与柔性SC被视为替代刚性笨重电池的重要方向。与此同时，环境友好型的可再生能源（如机械能、热能、太阳能）也对高效储能提出了要求，因此可充电电池因其较高能量密度、快速循环能力和较长寿命而成为重要的能量存储装置。
综述进一步强调，面向可穿戴电子与电子织物（e-textiles）的储能器件，应兼具柔性、可拉伸、轻量化与可织入性。纺织材料可同时承担传感、储能、能量收集、医学电极、温控与电磁干扰屏蔽（EMI）等多种功能，其中非织造材料因其孔隙结构、透气性与服用舒适性而尤为突出。非织造纺织物由纤维或长丝经机械、热、化学或溶剂方式黏结/缠结形成，具有较大的比表面积、较高的填料容纳能力与良好的压缩成形性。相比机织和针织，非织造工艺无需纺纱，生产流程更短、成本更低、产率更高，并可实现更高的强度与耐热性，因此更适合储能应用。作者指出，该领域虽然已有不少研究，但围绕“非织造结构—制备路径—器件性能”之间系统关联的综述仍较少，因此本综述旨在总结近期进展并为后续研究提供参考。

2 Fundamentals of Nonwovens
本节首先说明非织造材料在多个行业中快速增长的原因：成本低、原料可得性高、制造速率快，并逐步替代传统机织与针织材料。非织造织物可由随机分布纤维/长丝、熔融塑料或塑料薄膜，通过机械、热或化学方法结合而成。其原料主要包括纤维、黏结剂和添加剂，其中纤维类型是决定最终性能的核心因素，既可为天然/合成，也可为有机/无机；高性能纤维如聚四氟乙烯（PTFE）、氨纶、芳纶、三聚氰胺以及多种纳米纤维、中空纤维和双组分纤维也被用于非织造制备。
随后介绍黏结剂与添加剂在非织造中的作用：黏结剂用于赋予足够的拉伸强度，其用量随用途而变化；添加剂则用于黏结、后整理和功能化处理。非织造制造过程通常分为网形成与网稳定两步，按成网方式可分为干法、湿法和纺粘（spun-laid）三类，后续再通过机械、热或化学方式进行网固结。机械结合、化学结合和热结合各有特点，其中热结合较少用水、较环保，适于高产速制备。静电纺丝近年来成为制备纳米纤维非织造膜的重要技术，可利用电场将聚合物溶液/熔体拉伸成百纳米尺度纤维；吹纺则利用压缩空气制备纳米纤维，电压需求更低。最后，章节提到整理工艺可进一步赋予非织造材料阻燃、拒水、抗菌、抗静电等性能，并指出非织造材料兼具较好的比机械性能、结构稳定性与强度-重量比。

3 Properties of Nonwovens for Energy Storage
本节总结了非织造材料用于储能器件时的关键结构-性能关系。非织造材料具有高孔隙率、可调孔径、轻质、柔性、透气、疏水/亲水可调、导电性可调和生物可降解等特征。作者指出，纤维分布均匀性对性能至关重要，均匀孔隙有利于作为下一代储能器件中的隔膜（separator）。
随后分别分析了机械、热学、化学稳定性、黏附性、厚度、孔隙率、可拉伸性、柔性、润湿性、离子输运能力、空气渗透性、拒水性、生物相容性与生物降解性等参数。机械方面，非织造材料通常较机织材料具有更高的强度，可承受卷绕、弯折与针刺，适合高安全性隔膜；热学方面，特殊孔结构与材料选择可降低热收缩并抑制热失控；化学稳定性要求材料能耐受酸、碱与有机溶剂；黏附性则对柔性电极、封装层以及活性物质稳定附着尤为关键。厚度与孔隙率在隔膜中需平衡：较薄可降低内阻、提高能量密度，而合适厚度与孔径有助于抑制短路并保证电解液保持。可拉伸性与柔性是可穿戴系统的基础，空气渗透性和拒水性则直接关系到佩戴舒适度与汗液管理。对于医学应用，生物相容性和生物降解性被视为未来重要方向。

4 Fabrication of Nonwovens
本节概述非织造材料的主要制备路径。基本流程包括纤维准备、网形成与网固结，网形成可通过干法、湿法、气流成网或静电纺丝实现，随后再采用机械、热或化学方式增强强度与耐久性。
4.1 Electrospinning Method
静电纺丝是一种电压驱动的纳米纤维制备技术，通过强电场使聚合物溶液/熔体形成泰勒锥（Taylor cone）并喷射成细流，最终在集电器上沉积为非织造纳米纤维膜。该方法适用于多种聚合物，如PVDF、PEO、PAN、PLA和PCL，也可引入MWCNT、TiO₂等添加剂以改善导电性、压电性和机械强度。其优势在于可形成高比表面积、较大孔体积与可调内部形貌的纳米纤维网络，从而改善电极/电解液界面并提升电化学反应速率。
4.2 Melt-Blowing Method
熔喷通过高温高速空气将熔融聚合物拉伸成超细纤维并收集成网，具有高通量、低成本、可大规模连续生产的特点，常用于PP、PVDF等材料。其所得纤维随机取向、孔隙率高、比表面积大，适合作为电池或SC隔膜。
4.3 Air Brushing (Solution Blow Spinning)
溶液吹纺/气流喷纺利用压缩气体将聚合物溶液从喷嘴中拉伸成微/纳米纤维，无需高电压。该方法可制备高孔隙、孔径小的PAN基非织造隔膜，并可通过调节聚合物浓度、气压和流量控制纤维直径。
4.4 Hybrid Electrospinning-Melt-Blowing
该混合法结合静电纺丝的精细控制与熔喷的高产率，将电纺纳米纤维与熔喷微纤维共同沉积，以实现孔结构与表面性质的协同调控，适合构建高性能过滤/储能复合网。
4.5 Magneto Spinning
磁纺丝通过磁性颗粒与外加磁场诱导纤维形成，属于高通量替代方案。其适合构建具有磁响应特性的复合纤维，但文中主要将其作为功能化非织造制备方式介绍。
4.6 Flash Spinning
闪蒸纺丝通过溶剂瞬时汽化形成超细纤维网，可获得高强度、良好屏障性与高透气性的轻质非织造膜；文中指出其亦可用于PVDF等材料的能源相关应用。

5 Application Areas of Nonwovens for Energy Storage
本节系统讨论非织造材料在储能器件中的应用场景，包括隔膜、电极、相变材料复合、热管理与固态电解质等。总体而言，非织造材料的高孔隙、轻量与可调结构使其适合用作电池与SC的隔膜、电极基底、集流体以及固态电解质支撑骨架。

5.1 Separator for Lithium-ion Batteries (LIBs)
LIB隔膜需兼具电子绝缘、离子可通行、较高润湿性与热稳定性。非织造隔膜由于随机互连三维孔网络，能够提高电解液吸附与离子传输，降低界面电阻，并可通过调控孔径与孔隙率来兼顾安全性与倍率性能。作者指出，部分非织造隔膜在高温下的热收缩更低，且原料可包括工程塑料或生物聚合物，具备成本优势。然而，其商业化仍受限于孔径偏大且分布不均，可能导致锂枝晶穿透与内短路。未来方向包括引入纳米纤维填充大孔隙并构建纳米尺度多孔网络。

5.2 Separator for Nickel-Metal Hydride (Ni-MH) Batteries
Ni-MH电池隔膜需要开放孔结构以管理气体传输并快速吸液保液。非织造材料可满足该要求，但其面临长期润湿性不足和机械强度较低的问题，尤其在碱性环境中易发生水解或疏水油剂流失。因此，常需通过磺化、添加亲水助剂或层压增强来改性；但过度磺化可能导致材料碳化并引发短路风险。

5.3 Separators for Supercapacitors (SCs)
SC隔膜重点在于高孔隙、快速离子通量、良好润湿性和热安全性。非织造隔膜在高温下通常优于商用聚烯烃膜，可保持尺寸稳定。文中以再生纤维素（RC）隔膜和经等离子体处理的非织造膜为例，强调表面功能化能够显著改善接触角与电解液吸附。挑战仍集中于孔径控制与强度平衡，必要时需通过陶瓷涂层或纳米纤维涂层抑制枝晶穿透。

5.4 Electrodes
非织造电极通常是在碳或金属纳米纤维基底上负载电活性材料。其优势在于可构建自支撑电极，避免聚合物粘结剂带来的“死重”，并提供高比表面积、三维导电通路与良好机械柔性。文中强调，非织造结构既可充当导电添加剂，也可兼任三维集流体和结构支撑。
但其局限在于首次循环不可逆容量损失较大，主要源于高表面积表面形成较多SEI膜；因此未来需要更精确地控制孔结构与纤维直径，以兼顾高比表面积和SEI副反应抑制。

5.5 Phase Change Materials (PCM) Integration
非织造材料可作为相变材料（PCM）的载体/骨架，利用其高孔隙率和毛细作用固定PCM，防止液态渗漏并维持柔性与透气性。文中指出，加入高导热纳米材料可显著提升导热率、加快储放热响应。与此同时，洗涤与磨损会影响耐久性，因此需要结合聚合物黏结剂或3D打印等可控工艺来改善热-力学性能。

5.6 Battery Thermal Management System (BTMS)
非织造材料在电池热管理系统（BTMS）中常作为毛细芯、绝热层或功能复合层。其多孔结构可提供毛细压力，促进工质的被动循环与蒸发冷凝；同时可通过复合碳纤维、金属泡沫或石墨颗粒弥补多数非织造材料导热率偏低的问题。作者认为，未来应进一步建立多尺度模拟方法，描述非织造毛细芯内的微观传热与流动行为。

5.7 Solid-state Electrolyte (SSE) Host
非织造基底可作为固态电解质（SSE）的支撑骨架，提升柔韧性、热稳定性与尺寸稳定性，并通过构建三维离子传输通道促进Li⁺迁移。文中提到，聚酰胺、聚酰亚胺等非织造骨架可在高温下保持结构完整；加入无机填料（如LLZO、LATP、SiO₂等）后，可进一步改善界面接触与离子电导。但非导电非织造基底在电极-电解质界面可能增加阻抗，未来需优化纤维直径、孔径与表面化学，并引入亲锂/离子导电涂层。

5.8 Binder-Free Electrode
非织造材料尤其适合构建无粘结剂电极，因为其连续纤维网络可提供稳定的导电框架和反应界面，并显著减轻非活性组分负担。文中列举了多种碳化、掺杂和复合策略，说明其在超级电容器、锂离子电池及锂硫电池中均具有高容量、高倍率和良好循环稳定性。但仍需解决活性物质高负载与纤维结构完整性之间的矛盾。

5.9 Flexible and Wearable Supercapacitor (SC)
可穿戴SC要求高柔性、可变形、长寿命与低成本。非织造纤维网因轻量、多孔、可集成于织物而成为理想基底，但其本身常为绝缘材料，因此通常需要rGO、银浆或金属沉积增强导电性。文中举例的1T-MoS₂/MXene非织造电极显示了高比电容、长循环寿命与优异的折叠/扭转/弯曲保持率，证明二维材料与非织造结合可显著增强柔性SC性能。

5.10 Flexible and Wearable Battery
非织造材料同样被用于柔性电池中的隔膜、集流体和骨架材料。相较于机织材料，非织造更平滑、孔隙更开放，利于电子传导与弯折适配。文中强调，通过电沉积金属层、构建纤维骨架-电极-电解质一体化结构，可有效降低界面阻抗并提升弯折耐久性。

5.11 Redox Flow Batteries (RFBs)
在液流电池中，非织造材料主要可用于电极或隔膜。其高比表面积和可调结构有助于提升电化学反应速率，但密集细孔也可能带来浓差极化与传质受限。未来应通过构建分级孔结构、复合大孔微纤维与高孔隙碳纳米纤维来平衡反应活性与液压渗透性。

5.12 Current Collector (CC)
集流体负责收集电子并支撑电极层。理想集流体需要高导电、低接触电阻、高机械强度、低质量与高热/化学稳定性。非织造材料因其三维多孔结构和柔性，可替代传统金属箔，但其高孔隙与复杂形貌可能导致活性材料利用不完全。未来有望通过大规模可沉积工艺实现轻质柔性非织造集流体的产业化。

6 Challenges and Prospects
本节总结非织造储能纺织材料面临的主要瓶颈：制备过程的规模化与一致性不足；实际工况下的电化学/机械稳定性不够；聚合物非织造体系本征电导率与能量密度偏低；缺乏统一的评价标准，导致不同研究间难以直接比较。
未来展望集中在绿色可规模化制造（如生物基聚合物、绿色溶剂）、多功能集成（如拉伸、自愈、传感与能量收集耦合）、以及新型器件架构（如分级非织造复合材料与混合超级电容器-电池系统）。同时，需要更完善的封装策略、界面工程和标准化性能指标，以推动非织造储能纺织从实验室原型走向商业化。

7 Conclusion
文章最后指出，先进非织造纺织结构因其高孔隙率、互连纤维网络、轻量和机械柔性，在超级电容器、锂离子电池、可穿戴电子及其他柔性储能系统中展现出显著潜力。通过静电纺丝、熔喷、溶液成膜和相转化等工艺，可精确调控纤维形貌、孔隙率和导电性，并借助碳纤维、导电聚合物、金属氧化物与杂化纳米复合物提升器件性能。尽管如此，规模化生产、长期稳定性、导电性提升及环境友好制备仍是关键挑战。总体而言，非织造纺织材料为高性能、柔性与可持续储能技术提供了极具前景的路径。