1 导读
面对日益增长的能源需求与严峻的环境挑战，开发可持续、高性能的储能系统至关重要。传统锂离子电池在能量密度、安全性、可回收性及柔性方面面临瓶颈。纤维素，作为自然界取之不尽的可再生资源，正成为破局的关键材料。其独特的力学性能、丰富的可修饰官能团及三维网络构建能力，使其能广泛应用于电池的电极、固态电解质界面、隔膜及电解质等四大核心组件。本综述指出，通过巧妙的合成与结构设计，纤维素材料不仅能提升电池性能，更能推动储能技术向绿色、可持续的未来迈进。
2 背景介绍
现代生活已离不开可充电电池，从智能手机到电动汽车，再到电网级储能。然而，作为市场主流的锂离子电池，正面临能量密度、安全、回收和柔性等多重挑战。例如，其易燃的有机液态电解质带来安全风险，而刚性的结构则无法满足可穿戴电子设备的柔性需求。与此同时，预计未来十年将有大量电池退役，可回收性成为关乎环境可持续性的紧迫议题。在此背景下，纤维素脱颖而出。它不仅是地球上最丰富的天然高分子，具备可再生和可降解特性，其一维多层次结构和丰富的官能团，特别适合用于高性能固态电池和水系电池。
3 图文介绍
纤维素的成功应用，建立在其一系列独特性质之上：卓越的力学强度、丰富的表面羟基带来的强大功能化能力、通过超分子化学调控的界面特性，以及可构建水凝胶、气凝胶、自支撑薄膜等多种结构的适应性。
1. 电极：从“粘合剂”到“骨架”
在电极中，纤维素微/纳米纤维可作为优秀的粘合剂和分散剂。与传统需要有毒溶剂溶解的PVDF粘合剂不同，纤维素的极性官能团能与活性材料形成强相互作用。
图注： 粉末在二维纤维素异构体介导下转化为微/纳米纤维的机理示意图。
更重要的是，纤维素能作为三维多孔导电网络的骨架，用于制备厚电极。其固有的孔隙率有利于离子扩散，提高活性物质负载量，从而提升电极的能量密度。
图注： (d) 不同负载量纸基电极的性能六边形图。(e) 不同负载量纸基电极的循环性能。
2. 固态电解质界面：调控离子沉积的“智能屏障”
固态电解质界面是隔绝电极与电解质、调控离子传输的关键层。纤维素固有的高机械强度和可功能化特性，有利于构建固态电解质界面。
例如，仿生的纳米木材基薄膜，其天然排列的纤维素分子纳米通道可以有效地调控锂离子沉积，抑制枝晶生长。
图注： (a) 基于木材结构构建的固态电解质界面用于锂离子电池。(b)木质纤维素材料的分子静电势及 (c)锂离子与纳米木材基薄膜内极性官能团的强相互作用。
3. 隔膜：稳定安全的“隔离墙”
隔膜是防止电池短路的多孔绝缘屏障。纤维素优异的成膜能力、亲水性、热稳定性和可功能化特性，使其成为理想的隔膜材料。通过纤维素再生及磺化等工艺，可以制备出超薄、高机械强度、高热稳定性且离子电导率优异的纤维素隔膜。
图注： (a, b) 再生纤维素隔膜照片。(c) 不同隔膜的热收缩照片对比（左：商用无纺聚丙烯隔膜；中：再生纤维素；右：商用聚丙烯隔膜）。
4. 电解质：构建离子高速通道
纤维素的可加工性和三维网络形成能力，使其能用于制备固态和准固态聚合物电解质。例如，通过酯化反应制备的纤维素基固态电解质，既能提供高效的锂离子传导路径，又能维持机械稳定性。而通过定向冷冻等技术制备的纤维素水凝胶电解质，则能创建排列整齐的离子传输通道，用于稳定水系锌离子电池。
图注： (g) 具有定向通道的各向异性抗冻纤维素水凝胶电解质用于稳定锌金属负极的示意图。(h) 使用不同浓度Zn(ClO₄)₂的水凝胶电解质的拉伸应力-应变曲线。
4 总结与展望
尽管前景广阔，纤维素在储能中的应用仍面临挑战：
1. 吸湿性：与锂/钠电池严格的湿度控制要求相矛盾。
2. 热导率低：不利于电池热管理。
3. 本征离子电导率有限：需通过改性（如引入Cu²⁺）提升。
4. 规模化生产的可行性：从实验室到工业级生产，需解决可持续来源、成本和质量一致性等问题。
未来潜在研究方向：
1. 先进表征技术：建立纤维素结构与电化学性能之间的精准构效关系。
2. 人工智能驱动：利用机器学习加速新材料设计与性能预测。
3. 一体化电池设计：利用纤维素卓越的成膜能力和机械性能，开发结构集成度更高的单体电池系统，避免传统层叠结构的界面问题。
总而言之，纤维素材料在提升储能器件性能和可持续性方面展现出非凡潜力。将其独特优势与新兴技术相结合，必将为电化学能源系统的发展提供一个强大平台。
纤维素，这种古老的生物质材料，正被赋予新的使命，从支撑植物的骨架，转变为支撑未来绿色能源世界的基石。
5 通讯作者
李清，博士，于2024年加入澳门大学应用物理及材料工程研究院，任职助理教授。此前，李清博士具有10年电池研发相关经验，先后于中南大学获本科学位，清华大学及香港科技大学获硕士双学位，香港城市大学获博士学位并继续博士后。李清博士另于电池产业界从事电池开发2年，期间获深圳海外高层次人才，以及宝安区高层次人才称号。博士期间获得香港特区政府奖学金（全球250人入选），博后期间获得香港特区政府资研局博士后奖学金（全球50人入选），在国际知名期刊Joule，Nat. Commun.，Angew. Chem.，Adv. Mater.，Adv. Energy Mater.，Sci. Bull.，Small等发表论文/专利共计60篇，总引用8000余次，H-index：44（谷歌学术）。
期刊简介
Energy Materials and Devices是清华大学主办的英文开放获取期刊，基于清华大学出版社SciOpen平台出版发行，清华大学康飞宇教授担任主编。本刊是一本瞄准能源材料前沿领域的多学科交叉期刊，聚焦能源材料与器件领域的基础研究、技术创新、成果转化和产业化全链条创新研究成果，推动能源科学和产业发展，助力“碳达峰、碳中和”。
期刊于2023年9月创刊，现已被ESCI、Scopus、CAS、DOAJ、Inspec等数据库收录，入选2024中国科技期刊“卓越行动计划”二期高起点新刊项目。
收稿范围包括但不限于：二次电池、太阳能电池、燃料电池、超级电容器、液流电池、安全评估、 电池回收、 碳足迹和碳税负等主题的研究论文、综述、快报、专家观点和研究亮点。
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