隨著植入式、可穿戴及便攜式電子設(shè)備在商業(yè)市場的迅速興起，以小工具、配件和服裝形式出現(xiàn)的可穿戴電子設(shè)備已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。特別是隨著人工智能和物聯(lián)網(wǎng)時代大數(shù)據(jù)的蓬勃發(fā)展，可穿戴電子產(chǎn)品展現(xiàn)了更廣闊的應(yīng)用前景。因此，需要靈活、功能強大且可靠的電化學(xué)儲能設(shè)備來為新興電子產(chǎn)品供電。尤其，全球社會正面臨一系列全球變暖、資源稀缺及環(huán)境惡劣污染等挑戰(zhàn)，因此制備低成本、環(huán)保的高性能儲能材料具有重要意義。納米纖維素具有資源豐富、優(yōu)異特性、和獨特一維結(jié)構(gòu)的特點，已成為一種有前途的納米材料。
該論文旨在為納米纖維素與其他電化學(xué)材料的復(fù)合材料提供新的視角，以優(yōu)化它們的性能。重點介紹了柔性納米纖維素基復(fù)合材料的合成策略、結(jié)構(gòu)和界面工程、工作機制以及在柔性電極、電解質(zhì)/隔膜中的應(yīng)用。圖2展示了此論文的整體框架結(jié)構(gòu)。他們從納米纖維素的制備方法和性能入手，從加工技術(shù)和微/納米結(jié)構(gòu)的角度簡要總結(jié)了近年來納米纖維素基復(fù)合材料的研究進展，重點揭示納米纖維素基復(fù)合材料在儲能器件中結(jié)構(gòu)-性能-應(yīng)用之間的關(guān)系。然后，全面討論了納米纖維素基復(fù)合材料從鋰離子電池和電化學(xué)超級電容器到新興的儲能系統(tǒng)，如鋰硫電池和鋅離子電池的近期進展。最后，全面討論和總結(jié)了納米纖維素基復(fù)合材料面向下一代柔性儲能設(shè)備應(yīng)用的當前挑戰(zhàn)和潛在策略。此論文被同行高度評價，為納米纖維素基復(fù)合材料在下一代電化學(xué)儲能設(shè)備中的進一步應(yīng)用提供了改進策略和新方向，并被選為封面論文，封面如圖1所示。
圖1. 論文封面圖。
圖2. 論文整體框架結(jié)構(gòu)。
1． 納米纖維素的制備及性能
本章節(jié)系統(tǒng)討論了納米纖維素的分類、制備方法及其在儲能領(lǐng)域應(yīng)用所展現(xiàn)的優(yōu)異性能，如圖3所示：
圖3. 納米纖維素的形態(tài)、特性及其復(fù)合材料。（a）纖維素的層次結(jié)構(gòu)。（b）納米纖維素的代表性形態(tài)，包括纖維素納米纖維（CNF）、纖維素納米晶體（CNC）和細菌纖維素（BC）。（c）納米纖維素的機械性能、熱穩(wěn)定性、密度、比表面積和表面化學(xué)。（d）納米纖維素復(fù)合材料（包括1D纖維、2D薄膜、紙和織物、3D氣凝膠、海綿和水凝膠）的各種結(jié)構(gòu)示意圖。
2． 納米纖維素基復(fù)合材料的制備與結(jié)構(gòu)工程
納米纖維素具有良好的加工性能和獨特的納米結(jié)構(gòu)，非常適合柔性功能材料的規(guī)；a(chǎn)。通常，含有豐富含氧基團的納米纖維素可以與其他材料結(jié)合，并通過與其他官能團的共價相互作用增強界面結(jié)構(gòu)。通過設(shè)計表/界面化學(xué)，系統(tǒng)地調(diào)整結(jié)構(gòu)，將先進的加工技術(shù)與微流體紡絲、靜電紡絲、3D打印等方法相結(jié)合，多種柔性納米纖維素基功能材料已經(jīng)被制備。近幾年來，大量的工作致力于開發(fā)用于制備具有不同形態(tài)、空間結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的納米纖維素基復(fù)合材料的合成方法。迄今為止報道的基于納米纖維素的復(fù)合材料的合成方法可分為原位和非原位策略，如圖4所示。
圖4.（a）原位方法：包括一步原位生長、多步原位轉(zhuǎn)化和（b）制備納米纖維素基復(fù)合材料的非原位策略。
圖5. 納米纖維素基復(fù)合材料的界面結(jié)構(gòu)模型。
超級電容器：根據(jù)儲能機制，通常有兩種類型的超級電容器：雙電層電容器和贗電容器。對于雙電層電容器，儲能過程主要發(fā)生在電極/電解質(zhì)界面上靜電荷的積累，如圖6所示。目前，碳材料被認為是最有前景的雙電層材料。一維碳納米管、碳納米纖維和二維石墨烯是柔性超級電容器較常用的材料。碳納米管和石墨烯材料可以直接與高柔性納米纖維素混合，作為獨立電極。重要的是，一維納米纖維素可以有效防止碳材料的積累，顯著改善親水性能，提高電極材料介孔的利用率。此外，由于納米纖維素強大的機械性能、浸潤性、精細的納米結(jié)構(gòu)和高孔隙率，它也可以被用作超級電容器的隔膜/電解質(zhì)。
圖6. 納米纖維素基復(fù)合材料應(yīng)用于雙電層超級電容器的儲能原理及相關(guān)研究。
圖7. 納米纖維素基復(fù)合材料應(yīng)用于鋰離子電池的儲能原理及相關(guān)研究。
4．結(jié)論與展望
即將到來的智能電子時代需要開發(fā)具有出色電化學(xué)性能、靈活性、輕質(zhì)和環(huán)保性的先進電化學(xué)能量存儲設(shè)備。在這篇論文中，總結(jié)了用于柔性電化學(xué)儲能系統(tǒng)的納米纖維素基復(fù)合材料的最新進展，主要介紹了結(jié)構(gòu)設(shè)計、界面工程和儲能機制以及構(gòu)建具有新興多功能的電化學(xué)儲能系統(tǒng)？傊{米纖維素優(yōu)異的機械強度、低密度和高比表面積特性表明其在柔性復(fù)合電極中具有重要的應(yīng)用；納米纖維素的高熱穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及浸潤性使復(fù)合材料具有良好的親水性和孔隙率，在柔性電解質(zhì)和隔膜中顯示出廣闊的前景。重要的是，作為基本單元的納米纖維素賦予復(fù)合材料很大的機械靈活性，這使得靈活的電化學(xué)儲能系統(tǒng)可以作為先進的電子設(shè)備應(yīng)用。盡管過去幾年納米纖維素基復(fù)合材料在電化學(xué)儲能領(lǐng)域的取得了快速發(fā)展，但仍然存在許多挑戰(zhàn)。
以上相關(guān)成果及內(nèi)容以題為Advanced Nanocellulose-Based Composites for Flexible Functional Energy Storage Devices發(fā)表在《Advanced Materials》上。該論文第一作者為天津科技大學(xué)徐婷博士后和美國奧本大學(xué)杜海順博士，通訊作者分別是天津科技大學(xué)司傳領(lǐng)教授、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)劉培文研究員、以及德國哥廷根大學(xué)張凱教授，天津科技大學(xué)為第一完成單位。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202101368
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