隨著植入式、可穿戴及便攜式電子設備在商業市場的迅速興起，以小工具、配件和服裝形式出現的可穿戴電子設備已經得到廣泛應用。特別是隨著人工智能和物聯網時代大數據的蓬勃發展，可穿戴電子產品展現了更廣闊的應用前景。因此，需要靈活、功能強大且可靠的電化學儲能設備來為新興電子產品供電。尤其，全球社會正面臨一系列全球變暖、資源稀缺及環境惡劣污染等挑戰，因此制備低成本、環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、優異特性、和獨特一維結構的特點，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材料的復合材料提供新的視角，以優化它們的性能。重點介紹了柔性納米纖維素基復合材料的合成策略、結構和界面工程、工作機制以及在柔性電極、電解質/隔膜中的應用。圖2展示了此論文的整體框架結構。他們從納米纖維素的制備方法和性能入手，從加工技術和微/納米結構的角度簡要總結了近年來納米纖維素基復合材料的研究進展，重點揭示納米纖維素基復合材料在儲能器件中結構-性能-應用之間的關系。然后，全面討論了納米纖維素基復合材料從鋰離子電池和電化學超級電容器到新興的儲能系統，如鋰硫電池和鋅離子電池的近期進展。最后，全面討論和總結了納米纖維素基復合材料面向下一代柔性儲能設備應用的當前挑戰和潛在策略。此論文被同行高度評價，為納米纖維素基復合材料在下一代電化學儲能設備中的進一步應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. 論文整體框架結構。
1． 納米纖維素的制備及性能
本章節系統討論了納米纖維素的分類、制備方法及其在儲能領域應用所展現的優異性能，如圖3所示：
圖3. 納米纖維素的形態、特性及其復合材料。（a）纖維素的層次結構。（b）納米纖維素的代表性形態，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、熱穩定性、密度、比表面積和表面化學。（d）納米纖維素復合材料（包括1D纖維、2D薄膜、紙和織物、3D氣凝膠、海綿和水凝膠）的各種結構示意圖。
2． 納米纖維素基復合材料的制備與結構工程
納米纖維素具有良好的加工性能和獨特的納米結構，非常適合柔性功能材料的規模化生產。通常，含有豐富含氧基團的納米纖維素可以與其他材料結合，并通過與其他官能團的共價相互作用增強界面結構。通過設計表/界面化學，系統地調整結構，將先進的加工技術與微流體紡絲、靜電紡絲、3D打印等方法相結合，多種柔性納米纖維素基功能材料已經被制備。近幾年來，大量的工作致力于開發用于制備具有不同形態、空間結構和性質的納米纖維素基復合材料的合成方法。迄今為止報道的基于納米纖維素的復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、多步原位轉化和（b）制備納米纖維素基復合材料的非原位策略。
圖5. 納米纖維素基復合材料的界面結構模型。
超級電容器：根據儲能機制，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，儲能過程主要發生在電極/電解質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、精細的納米結構和高孔隙率，它也可以被用作超級電容器的隔膜/電解質。
圖6. 納米纖維素基復合材料應用于雙電層超級電容器的儲能原理及相關研究。
圖7. 納米纖維素基復合材料應用于鋰離子電池的儲能原理及相關研究。
4．結論與展望
即將到來的智能電子時代需要開發具有出色電化學性能、靈活性、輕質和環保性的先進電化學能量存儲設備。在這篇論文中，總結了用于柔性電化學儲能系統的納米纖維素基復合材料的最新進展，主要介紹了結構設計、界面工程和儲能機制以及構建具有新興多功能的電化學儲能系統。總之，納米纖維素優異的機械強度、低密度和高比表面積特性表明其在柔性復合電極中具有重要的應用；納米纖維素的高熱穩定性和結構穩定性以及浸潤性使復合材料具有良好的親水性和孔隙率，在柔性電解質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合材料很大的機械靈活性，這使得靈活的電化學儲能系統可以作為先進的電子設備應用。盡管過去幾年納米纖維素基復合材料在電化學儲能領域的取得了快速發展，但仍然存在許多挑戰。
以上相關成果及內容以題為Advanced Nanocellulose-Based Composites for Flexible Functional Energy Storage Devices發表在《Advanced Materials》上。該論文第一作者為天津科技大學徐婷博士后和美國奧本大學杜海順博士，通訊作者分別是天津科技大學司傳領教授、華中農業大學劉培文研究員、以及德國哥廷根大學張凱教授，天津科技大學為第一完成單位。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202101368
- 華東師大徐敏教授團隊與潘麗坤教授團隊合作：摻雜氧化還原活性物的天然高分子水凝膠電解質鋅離子雜化超級電容器，助力高能柔性儲能設備 2020-07-23
- 香港城市大學支春義教授開發評估柔性儲能設備靈活性耐磨性新方法 2019-02-28
- 東南大學章煒副教授等發表綜述：用于柔性儲能系統的導電水凝膠 2018-10-03
- 華東師大張強研究員課題組《Small》：開發新型納米多孔沸石/納米纖維素復合氣凝膠止血材料 2025-04-21
- 中國海大田維乾/北林許鳳/青大張利鳴 ACS Nano: 強韌納米纖維素/MXene基離子 - 電子雙導水凝膠膜用于穩定鋅負極 2025-04-02
- 四川大學盧燦輝教授/熊銳特聘研究員 ACS Nano: 用于協同彩色輻射冷卻的分層納米纖維素光子結構設計 2025-01-27
- KAUST Sahika Inal/王亞洲 Nat. Commun.: 有機離電導體新進展-基于單組分n型混合導體的光電化學突觸 2025-02-16
