中国粉体网讯 纤维素是地球上最为丰富的生物质资源，具有易降解、可再生、无毒性且廉价易得等优点。纤维素是构成植物细胞壁的主要成分，常与半纤维素、木素、树脂等伴生在一起。纤维素分子间和分子内具有大量的氢键相互作用，使其具有很高的机械性能、良好的热稳定性和化学稳定性。
纤维素的结构及性能
纤维素的分子结构如图1所示，由β-1,4糖苷键共价连接的重复β-D-吡喃葡萄糖单元线性链组成。
图1纤维素的化学结构
纤维素的种类繁多，通常可分为纳米纤维素，水溶性纤维素和非水溶性纤维素。纳米纤维素是由从天然纤维素中提取的具有纳米级直径的纤维组成，通常包括纤维素纳米纤维（CNF）、纤维素纳米晶（CNC）和细菌纤维素（BC）。纳米纤维素由于柔韧性好，膨胀系数低，机械性能好，比表面积大等特性，被广泛用于隔膜和电极材料当中。水溶性纤维素是用适量的纤维素羟基化获得，包括甲基纤维素（MC），羧甲基纤维素（CMC）和醋酸纤维素（CA）。虽然其机械性能不是很高，但是水溶性纤维素具有优异的可加工性能和良好的成膜能力。相反，不溶于水的纤维素（主要包括三醋酸纤维素（CTA）和硝酸纤维素（NC）等）具有较高的介电常数和良好的机械性能。
近年来，纳米纤维素因强度高、质量轻、尺寸纳米化和比表面积大等特点，在固态电解质领域受到广泛关注。上面提到的三种纳米纤维素各有特点：
纤维素纳米纤维（CNF）是在高压或机械作用下得到的纳米纤维素纤维，具有大长径比，交联点多的优势。即使在非水介质中CNF也容易形成3D网络结构。另外由于CNF质量轻，其杨氏模量与高强度的芳纶相当；热膨胀性质又与玻璃相似，因此它在制备轻质、高性能固态电解质方面具有很大的潜力。
纤维素纳米晶（CNC）是在酸水解下形成的具有高结晶度的纳米级棒状颗粒，长径比小，具有形成分层介孔结构的能力。所以可促进离子转移进而均匀电极间的离子通量，为电池提供稳定和可逆的离子电镀剥离。
细菌纤维素（BC）是指在微生物发酵得到的结晶度在95%以上的纳米纤维。表面含大量氢键，可形成丰富孔隙的超细网络结构，吸水性和机械强度高，具有良好的理化稳定性。
目前，常见的用于固态电解质的基质包括聚环氧乙烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈和纤维素等。与其他基质相比，纤维素具有来源广泛、成本低廉和生物相容性好等优势，完美契合了储能技术绿色、环保、可持续的发展理念，未来在储能材料领域有一定的发展前景。此外，以纤维素为基质组装的柔性储能器件具有优异的力学性能和使用稳定性，在经受多次循环外力作用后仍可正常工作。因此，纤维素基固态电解质也常与功能性纺织品结合，作为驱动电子皮肤、柔性传感、能量收集及人体健康监测等可穿戴电子设备的柔性装置。
基于纤维素与其他材料的固态电解质性能对比
（资料来源：张丽榕，等.纤维素基固态电解质在储能器件中的应用进展）
如上表所示纤维素基固态电解质在不同储能器件中应用的性能优势，从表中可看出，与其他各类聚合物固态电解质、无机固态电解质、凝胶电解质等比较，纤维素基固态电解质在离子电导率、离子转移数、力学性能和器件电容保持率等方面均有优势。
纤维素基固态电解质的设计概述
与液态电解质相比，固态电解质可在一定程度上缓解电化学引起的应变，但它的应力应变传递使得化学性能与力学性能的耦合问题更加严峻。因此，在设计高性能固态电解质时，要综合考量电化学性能与力学稳定性之间的关系。根据纤维素结构和性能特点可知，纤维素具有开发成为高导电率，良好界面稳定性、机械性能和环境稳定性的固态电解质的潜力和优势，完全可以将其用于储能器件的开发之中。
（1）纤维素固态电解质的材料设计
电解质材料是电解质性能设计的基础，对应不同性质要求来选择合适的原料是制备纤维素基固态电解质的关键。固态电解质常用的材料设计主要有两个途径：纤维素自身改性，纤维素与其他材料的复合。
相关研究表明，未经改性的纤维素内部氢键作用力强，无定形结构少，这不利于离子在纤维素内部传输。故纤维素作为电解质基材的使用，首先应改变的是纤维素材料内部的强氢键网络，可采用化学改性方法优化纤维素的表面性质或纤维素的内部结构。另外，众多纤维素的化学组成虽然一致，相互之间亲和性也较好，但其物理性质差异明显。将不同的纤维素复合，可取长补短、刚柔并济，进一步发挥纤维素材料的结构和性能优势。此外，目前部分无机和高分子材料已在电化学领域有较好的表现，将其与密度小、力学性能好、环境稳定性强的纤维素材料复合，可进一步优化、提升储能器件的能量密度和使用性能。
（2）纤维素基固态电解质的结构设计
纤维素的结构有形态结构、聚集态结构及更微观的分子结构。在纤维素不同层次进行结构设计，通过优化纤维素的内部孔隙和结晶结构，从而改善非活性物质的团聚现象、增加离子传输的路径、提高传输网络的有序度，为固态电解质的发展注入新的活力。
纤维素的形态结构设计包括对其外观形貌、表面结构、截面结构及各种裂隙和孔洞的设计，其中对孔的设计是重点。研究表明，改变纤维素大分子链堆砌方式是对聚集态结构设计的主要方式，即调整纤维素结晶、非晶结构的比例，在保证其力学性能的同时使离子有足够的通道传输、扩散。另外，根据储能用固态电解质的性能要求，对纤维素更小分子层次进行结构设计，通过改善内部官能团，引入化学键作用等方式，可以进一步提升纤维素基固态电解质的性能。
纤维素基固态电解质的设计与开发是目前实现绿色高效储能的重要桥梁。未来纤维素基固态电解质仍有以下问题需要解决：①纤维素基固态电解质的制备过程繁琐、耗时耗能，需优化制备工艺和寻找绿色助剂。②性能还需继续完善，如离子迁移数、与电极的界面相容性、力学性能等均需进一步提升。③大多数电解质的研究与制备都局限在实验室水平，并未实现由实验室到工厂的产业化转变。④目前纤维素大多还只是作为固态电解质的材料基质使用，而对纤维素本身的聚集态结构和微观分子结构设计较少。
参考来源：
张丽榕，等.纤维素基固态电解质在储能器件中的应用进展
赵欣.可原位固化的离子型纤维素凝胶电解的研究
章宏兵.纤维素的化学改性及其作为锂离子电池凝胶聚合物电解质的应用研究
（中国粉体网编辑整理/文正）
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