中國粉體網(wǎng)訊  纖維素是地球上最為豐富的生物質資源，具有易降解、可再生、無毒性且廉價易得等優(yōu)點。纖維素是構成植物細胞壁的主要成分，常與半纖維素、木素、樹脂等伴生在一起。纖維素分子間和分子內具有大量的氫鍵相互作用，使其具有很高的機械性能、良好的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性。

纖維素的結構及性能

纖維素的分子結構如圖1所示，由β-1,4糖苷鍵共價連接的重復β-D-吡喃葡萄糖單元線性鏈組成。

圖1纖維素的化學結構

纖維素的種類繁多，通常可分為納米纖維素，水溶性纖維素和非水溶性纖維素。納米纖維素是由從天然纖維素中提取的具有納米級直徑的纖維組成，通常包括纖維素納米纖維（CNF）、纖維素納米晶（CNC）和細菌纖維素（BC）。納米纖維素由于柔韌性好，膨脹系數(shù)低，機械性能好，比表面積大等特性，被廣泛用于隔膜和電極材料當中。水溶性纖維素是用適量的纖維素羥基化獲得，包括甲基纖維素（MC），羧甲基纖維素（CMC）和醋酸纖維素（CA）。雖然其機械性能不是很高，但是水溶性纖維素具有優(yōu)異的可加工性能和良好的成膜能力。相反，不溶于水的纖維素（主要包括三醋酸纖維素（CTA）和硝酸纖維素（NC）等）具有較高的介電常數(shù)和良好的機械性能。

近年來，納米纖維素因強度高、質量輕、尺寸納米化和比表面積大等特點，在固態(tài)電解質領域受到廣泛關注。上面提到的三種納米纖維素各有特點：

纖維素納米纖維（CNF）是在高壓或機械作用下得到的納米纖維素纖維，具有大長徑比，交聯(lián)點多的優(yōu)勢。即使在非水介質中CNF也容易形成3D網(wǎng)絡結構。另外由于CNF質量輕，其楊氏模量與高強度的芳綸相當；熱膨脹性質又與玻璃相似，因此它在制備輕質、高性能固態(tài)電解質方面具有很大的潛力。

纖維素納米晶（CNC）是在酸水解下形成的具有高結晶度的納米級棒狀顆粒，長徑比小，具有形成分層介孔結構的能力。所以可促進離子轉移進而均勻電極間的離子通量，為電池提供穩(wěn)定和可逆的離子電鍍剝離。

細菌纖維素（BC）是指在微生物發(fā)酵得到的結晶度在95%以上的納米纖維。表面含大量氫鍵，可形成豐富孔隙的超細網(wǎng)絡結構，吸水性和機械強度高，具有良好的理化穩(wěn)定性。

目前，常見的用于固態(tài)電解質的基質包括聚環(huán)氧乙烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈和纖維素等。與其他基質相比，纖維素具有來源廣泛、成本低廉和生物相容性好等優(yōu)勢，完美契合了儲能技術綠色、環(huán)保、可持續(xù)的發(fā)展理念，未來在儲能材料領域有一定的發(fā)展前景。此外，以纖維素為基質組裝的柔性儲能器件具有優(yōu)異的力學性能和使用穩(wěn)定性，在經(jīng)受多次循環(huán)外力作用后仍可正常工作。因此，纖維素基固態(tài)電解質也常與功能性紡織品結合，作為驅動電子皮膚、柔性傳感、能量收集及人體健康監(jiān)測等可穿戴電子設備的柔性裝置。

基于纖維素與其他材料的固態(tài)電解質性能對比

（資料來源：張麗榕，等.纖維素基固態(tài)電解質在儲能器件中的應用進展）

如上表所示纖維素基固態(tài)電解質在不同儲能器件中應用的性能優(yōu)勢，從表中可看出，與其他各類聚合物固態(tài)電解質、無機固態(tài)電解質、凝膠電解質等比較，纖維素基固態(tài)電解質在離子電導率、離子轉移數(shù)、力學性能和器件電容保持率等方面均有優(yōu)勢。

纖維素基固態(tài)電解質的設計概述

與液態(tài)電解質相比，固態(tài)電解質可在一定程度上緩解電化學引起的應變，但它的應力應變傳遞使得化學性能與力學性能的耦合問題更加嚴峻。因此，在設計高性能固態(tài)電解質時，要綜合考量電化學性能與力學穩(wěn)定性之間的關系。根據(jù)纖維素結構和性能特點可知，纖維素具有開發(fā)成為高導電率，良好界面穩(wěn)定性、機械性能和環(huán)境穩(wěn)定性的固態(tài)電解質的潛力和優(yōu)勢，完全可以將其用于儲能器件的開發(fā)之中。

（1）纖維素固態(tài)電解質的材料設計

電解質材料是電解質性能設計的基礎，對應不同性質要求來選擇合適的原料是制備纖維素基固態(tài)電解質的關鍵。固態(tài)電解質常用的材料設計主要有兩個途徑：纖維素自身改性，纖維素與其他材料的復合。

相關研究表明，未經(jīng)改性的纖維素內部氫鍵作用力強，無定形結構少，這不利于離子在纖維素內部傳輸。故纖維素作為電解質基材的使用，首先應改變的是纖維素材料內部的強氫鍵網(wǎng)絡，可采用化學改性方法優(yōu)化纖維素的表面性質或纖維素的內部結構。另外，眾多纖維素的化學組成雖然一致，相互之間親和性也較好，但其物理性質差異明顯。將不同的纖維素復合，可取長補短、剛柔并濟，進一步發(fā)揮纖維素材料的結構和性能優(yōu)勢。此外，目前部分無機和高分子材料已在電化學領域有較好的表現(xiàn)，將其與密度小、力學性能好、環(huán)境穩(wěn)定性強的纖維素材料復合，可進一步優(yōu)化、提升儲能器件的能量密度和使用性能。

（2）纖維素基固態(tài)電解質的結構設計

纖維素的結構有形態(tài)結構、聚集態(tài)結構及更微觀的分子結構。在纖維素不同層次進行結構設計，通過優(yōu)化纖維素的內部孔隙和結晶結構，從而改善非活性物質的團聚現(xiàn)象、增加離子傳輸?shù)穆窂健⑻岣邆鬏斁W(wǎng)絡的有序度，為固態(tài)電解質的發(fā)展注入新的活力。

纖維素的形態(tài)結構設計包括對其外觀形貌、表面結構、截面結構及各種裂隙和孔洞的設計，其中對孔的設計是重點。研究表明，改變纖維素大分子鏈堆砌方式是對聚集態(tài)結構設計的主要方式，即調整纖維素結晶、非晶結構的比例，在保證其力學性能的同時使離子有足夠的通道傳輸、擴散。另外，根據(jù)儲能用固態(tài)電解質的性能要求，對纖維素更小分子層次進行結構設計，通過改善內部官能團，引入化學鍵作用等方式，可以進一步提升纖維素基固態(tài)電解質的性能。

纖維素基固態(tài)電解質的設計與開發(fā)是目前實現(xiàn)綠色高效儲能的重要橋梁。未來纖維素基固態(tài)電解質仍有以下問題需要解決：①纖維素基固態(tài)電解質的制備過程繁瑣、耗時耗能，需優(yōu)化制備工藝和尋找綠色助劑。②性能還需繼續(xù)完善，如離子遷移數(shù)、與電極的界面相容性、力學性能等均需進一步提升。③大多數(shù)電解質的研究與制備都局限在實驗室水平，并未實現(xiàn)由實驗室到工廠的產(chǎn)業(yè)化轉變。④目前纖維素大多還只是作為固態(tài)電解質的材料基質使用，而對纖維素本身的聚集態(tài)結構和微觀分子結構設計較少。

參考來源：

張麗榕，等.纖維素基固態(tài)電解質在儲能器件中的應用進展

趙欣.可原位固化的離子型纖維素凝膠電解的研究

章宏兵.纖維素的化學改性及其作為鋰離子電池凝膠聚合物電解質的應用研究

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/文正）

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