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天津科技大學司傳領教授《Adv. Mater.》封面論文:用于柔性儲能設備的先進納米纖維素基復合材料
2021-09-28  來源:高分子科技

  隨著植入式、可穿戴及便攜式電子設備在商業(yè)市場的迅速興起,以小工具、配件和服裝形式出現(xiàn)的可穿戴電子設備已經(jīng)得到廣泛應用。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(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(yōu)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(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(zhàn)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。


1. 論文封面圖。

2. 論文整體框架結構


1. 納米纖維素的制備及性能

  本章節(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域應用所展現(xiàn)的優(yōu)異性能,如3所示:

3. 納米纖維素的形態(tài)、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(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BCc)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。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(guī)模化生產(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(tǒng)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(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4所示。


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。


  暴露于電解質和電化學活性材料的界面結構會顯著影響儲能系統(tǒng)的電化學性能。我們從結構和界面工程的角度,包括電化學材料與納米纖維素組分之間的界面構建和微/納米界面結構,闡述納米纖維素基復合材料用于儲能設備的進展通過促進穿過電極/電解質邊界的離子通量并增加界面反應的活性位點,具有理想結構的納米纖維素基復合材料已被證明可以提高電化學儲能系統(tǒng)的性能。顯然,在充電和放電過程中,納米纖維素在將電解質離子從復合材料轉移到電解質中起著重要作用。因此,構建電化學材料與納米纖維素組分的良好界面接觸模式對于改善不同組分之間的電化學反應動力學非常重要。考慮到納米纖維素的柔韌性和徑向尺寸,具有不同結構的電化學材料的納米纖維素基復合材料主要可分為三種類型:納米纖維素錨定復合、層狀結構復合和混合復合材料,如5所示

5. 納米纖維素基復合材料的界面結構模型。


3. 納米纖維素基復合材料應用于柔性電化學儲能器件
  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/電解質界面上靜電荷的積累,如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。

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。


  鋰離子電池:鋰離子電池具有環(huán)保運行、使用壽命長、輸出電壓大、能量密度高等特點,已成為消費電子產(chǎn)品的主要電源。原理上,鋰離子電池的充電和放電過程通過在正極之間Li+的插入/脫嵌實現(xiàn),如7所示。充電時,在外部電源的推動下,Li+從陰極脫嵌并通過電解質插入陽極。放電時,攜帶電流的Li+從陰極移回陽極。納米纖維素基材料具有分層微觀結構、良好的機械性能和良好的電化學穩(wěn)定性,在鋰離子電池中作為電極組件、固體電解質和隔膜已顯示出巨大的應用潛力。

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(fā)具有出色電化學性能、靈活性、輕質和環(huán)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(tǒng)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功能的電化學儲能系統(tǒng)。總之,納米纖維素優(yōu)異的機械強度、低密度和高比表面積特性表明在柔性復合電極中具有重要的應用;納米纖維素的高熱穩(wěn)定性和結構穩(wěn)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(tǒng)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取得了快速發(fā)展,但仍然存在許多挑戰(zhàn)。


  首先,缺乏連續(xù)和大規(guī)模制備納米纖維素基復合材料的可行技術。其次,雖然納米纖維素為復合電極帶來了自支撐結構,但一些納米纖維素基復合材料的機械強度和柔韌性不足以滿足實際應用。三,具有改進電化學性能納米纖維素基復合材料的復合界面模式和結構報道(例如,電化學活性材料錨定在納米纖維素表面,夾在納米纖維素層之間,或混合在納米纖維素纖維中等),這些主要是由于納米纖維素組分和其他電化學活性物質之間具有協(xié)同效應,目前尚不清楚這些結構中的哪些可以在特定的電化學儲能系統(tǒng)提供最佳的電化學性能。四,在復合電極中引入絕緣納米纖維素組分會降低電導率并阻礙電子在電極中的傳導,從而對儲能器件的電化學性能,尤其是倍率性能產(chǎn)生負面影響。五,受益于納米纖維素的高潤濕性、高機械強度和網(wǎng)狀纏結多孔結構,其與不同種類的活性材料的各種組合已被提出用于制備具有優(yōu)異電化學性能的復合電極和隔膜,但納米纖維素基復合材料孔結構的調控仍然受限等。

  以上相關成果及內容以題為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(nóng)業(yè)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

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(責任編輯:xu)
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