中國(guó)粉體網(wǎng)訊  纖維素是地球上最為豐富的生物質(zhì)資源，具有易降解、可再生、無(wú)毒性且廉價(jià)易得等優(yōu)點(diǎn)。纖維素是構(gòu)成植物細(xì)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(nèi)具有大量的氫鍵相互作用，使其具有很高的機(jī)械性能、良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。

纖維素的結(jié)構(gòu)及性能

纖維素的分子結(jié)構(gòu)如圖1所示，由β-1,4糖苷鍵共價(jià)連接的重復(fù)β-D-吡喃葡萄糖單元線性鏈組成。

圖1纖維素的化學(xué)結(jié)構(gòu)

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(jí)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(xì)菌纖維素（BC）。納米纖維素由于柔韌性好，膨脹系數(shù)低，機(jī)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(dāng)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(jī)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(jī)械性能。

近年來(lái)，納米纖維素因強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、尺寸納米化和比表面積大等特點(diǎn)，在固態(tài)電解質(zhì)領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。上面提到的三種納米纖維素各有特點(diǎn)：

纖維素納米纖維（CNF）是在高壓或機(jī)械作用下得到的納米纖維素纖維，具有大長(zhǎng)徑比，交聯(lián)點(diǎn)多的優(yōu)勢(shì)。即使在非水介質(zhì)中CNF也容易形成3D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。另外由于CNF質(zhì)量輕，其楊氏模量與高強(qiáng)度的芳綸相當(dāng)；熱膨脹性質(zhì)又與玻璃相似，因此它在制備輕質(zhì)、高性能固態(tài)電解質(zhì)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(jié)晶度的納米級(jí)棒狀顆粒，長(zhǎng)徑比小，具有形成分層介孔結(jié)構(gòu)的能力。所以可促進(jìn)離子轉(zhuǎn)移進(jìn)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(xì)菌纖維素（BC）是指在微生物發(fā)酵得到的結(jié)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(xì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，吸水性和機(jī)械強(qiáng)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(zhì)的基質(zhì)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(zhì)相比，纖維素具有來(lái)源廣泛、成本低廉和生物相容性好等優(yōu)勢(shì)，完美契合了儲(chǔ)能技術(shù)綠色、環(huán)保、可持續(xù)的發(fā)展理念，未來(lái)在儲(chǔ)能材料領(lǐng)域有一定的發(fā)展前景。此外，以纖維素為基質(zhì)組裝的柔性儲(chǔ)能器件具有優(yōu)異的力學(xué)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(zhì)也常與功能性紡織品結(jié)合，作為驅(qū)動(dòng)電子皮膚、柔性傳感、能量收集及人體健康監(jiān)測(cè)等可穿戴電子設(shè)備的柔性裝置。

基于纖維素與其他材料的固態(tài)電解質(zhì)性能對(duì)比

（資料來(lái)源：張麗榕，等.纖維素基固態(tài)電解質(zhì)在儲(chǔ)能器件中的應(yīng)用進(jìn)展）

如上表所示纖維素基固態(tài)電解質(zhì)在不同儲(chǔ)能器件中應(yīng)用的性能優(yōu)勢(shì)，從表中可看出，與其他各類聚合物固態(tài)電解質(zhì)、無(wú)機(jī)固態(tài)電解質(zhì)、凝膠電解質(zhì)等比較，纖維素基固態(tài)電解質(zhì)在離子電導(dǎo)率、離子轉(zhuǎn)移數(shù)、力學(xué)性能和器件電容保持率等方面均有優(yōu)勢(shì)。

纖維素基固態(tài)電解質(zhì)的設(shè)計(jì)概述

與液態(tài)電解質(zhì)相比，固態(tài)電解質(zhì)可在一定程度上緩解電化學(xué)引起的應(yīng)變，但它的應(yīng)力應(yīng)變傳遞使得化學(xué)性能與力學(xué)性能的耦合問(wèn)題更加嚴(yán)峻。因此，在設(shè)計(jì)高性能固態(tài)電解質(zhì)時(shí)，要綜合考量電化學(xué)性能與力學(xué)穩(wěn)定性之間的關(guān)系。根據(jù)纖維素結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)可知，纖維素具有開發(fā)成為高導(dǎo)電率，良好界面穩(wěn)定性、機(jī)械性能和環(huán)境穩(wěn)定性的固態(tài)電解質(zhì)的潛力和優(yōu)勢(shì)，完全可以將其用于儲(chǔ)能器件的開發(fā)之中。

（1）纖維素固態(tài)電解質(zhì)的材料設(shè)計(jì)

電解質(zhì)材料是電解質(zhì)性能設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，對(duì)應(yīng)不同性質(zhì)要求來(lái)選擇合適的原料是制備纖維素基固態(tài)電解質(zhì)的關(guān)鍵。固態(tài)電解質(zhì)常用的材料設(shè)計(jì)主要有兩個(gè)途徑：纖維素自身改性，纖維素與其他材料的復(fù)合。

相關(guān)研究表明，未經(jīng)改性的纖維素內(nèi)部氫鍵作用力強(qiáng)，無(wú)定形結(jié)構(gòu)少，這不利于離子在纖維素內(nèi)部傳輸。故纖維素作為電解質(zhì)基材的使用，首先應(yīng)改變的是纖維素材料內(nèi)部的強(qiáng)氫鍵網(wǎng)絡(luò)，可采用化學(xué)改性方法優(yōu)化纖維素的表面性質(zhì)或纖維素的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。另外，眾多纖維素的化學(xué)組成雖然一致，相互之間親和性也較好，但其物理性質(zhì)差異明顯。將不同的纖維素復(fù)合，可取長(zhǎng)補(bǔ)短、剛?cè)岵��?jì)，進(jìn)一步發(fā)揮纖維素材料的結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)勢(shì)。此外，目前部分無(wú)機(jī)和高分子材料已在電化學(xué)領(lǐng)域有較好的表現(xiàn)，將其與密度小、力學(xué)性能好、環(huán)境穩(wěn)定性強(qiáng)的纖維素材料復(fù)合，可進(jìn)一步優(yōu)化、提升儲(chǔ)能器件的能量密度和使用性能。

（2）纖維素基固態(tài)電解質(zhì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

纖維素的結(jié)構(gòu)有形態(tài)結(jié)構(gòu)、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)及更微觀的分子結(jié)構(gòu)。在纖維素不同層次進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)優(yōu)化纖維素的內(nèi)部孔隙和結(jié)晶結(jié)構(gòu)，從而改善非活性物質(zhì)的團(tuán)聚現(xiàn)象、增加離子傳輸?shù)穆窂�、提高傳輸網(wǎng)絡(luò)的有序度，為固態(tài)電解質(zhì)的發(fā)展注入新的活力。

纖維素的形態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括對(duì)其外觀形貌、表面結(jié)構(gòu)、截面結(jié)構(gòu)及各種裂隙和孔洞的設(shè)計(jì)，其中對(duì)孔的設(shè)計(jì)是重點(diǎn)。研究表明，改變纖維素大分子鏈堆砌方式是對(duì)聚集態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要方式，即調(diào)整纖維素結(jié)晶、非晶結(jié)構(gòu)的比例，在保證其力學(xué)性能的同時(shí)使離子有足夠的通道傳輸、擴(kuò)散。另外，根據(jù)儲(chǔ)能用固態(tài)電解質(zhì)的性能要求，對(duì)纖維素更小分子層次進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)改善內(nèi)部官能團(tuán)，引入化學(xué)鍵作用等方式，可以進(jìn)一步提升纖維素基固態(tài)電解質(zhì)的性能。

纖維素基固態(tài)電解質(zhì)的設(shè)計(jì)與開發(fā)是目前實(shí)現(xiàn)綠色高效儲(chǔ)能的重要橋梁。未來(lái)纖維素基固態(tài)電解質(zhì)仍有以下問(wèn)題需要解決：①纖維素基固態(tài)電解質(zhì)的制備過(guò)程繁瑣、耗時(shí)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(xué)性能等均需進(jìn)一步提升。③大多數(shù)電解質(zhì)的研究與制備都局限在實(shí)驗(yàn)室水平，并未實(shí)現(xiàn)由實(shí)驗(yàn)室到工廠的產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)變。④目前纖維素大多還只是作為固態(tài)電解質(zhì)的材料基質(zhì)使用，而對(duì)纖維素本身的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)和微觀分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較少。

參考來(lái)源：

張麗榕，等.纖維素基固態(tài)電解質(zhì)在儲(chǔ)能器件中的應(yīng)用進(jìn)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(xué)改性及其作為鋰離子電池凝膠聚合物電解質(zhì)的應(yīng)用研究

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/文正）

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