納米纖維素及其用于鋰電池的研究進(jìn)展

王 穎,馬春慧，周 晉，李夢(mèng)揚(yáng)，岳金權(quán)

(東北林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

由于現(xiàn)代社會(huì)的快速發(fā)展，全球范圍內(nèi)電力消耗嚴(yán)重，能源需求的快速增長(zhǎng)已經(jīng)成為一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，并將持續(xù)到未來(lái)，先進(jìn)、成本低和環(huán)境友好的儲(chǔ)能設(shè)備受到越來(lái)越多的關(guān)注[1]。超級(jí)電容器和電池的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)在為便攜式電子設(shè)備、電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力汽車(chē)和大型儲(chǔ)能系統(tǒng)提供動(dòng)力方面顯示出了巨大的潛力[2-3]。其中，鋰離子電池(LIBs)由于具有能量密度和功率密度高、自放電小、使用壽命長(zhǎng)、工作電壓高、溫度窗口寬、無(wú)“記憶效應(yīng)”等優(yōu)點(diǎn)[2]，成為便攜式電子設(shè)備的主要電源。滿足柔性和可穿戴電子設(shè)備應(yīng)用需求的柔性LIBs作為關(guān)鍵的組件，受到了廣泛的應(yīng)用，如柔性顯示器[4]、柔性發(fā)光二極管(LED)[5]、柔性傳感器[6]和無(wú)線射頻識(shí)別(RFID)[7]。研究者們?yōu)榱双@得高性能的柔性LIBs，在制備可彎曲電極方面付出了很大的努力[8]。LIBs作為具有代表性的未來(lái)儲(chǔ)能裝置，發(fā)展面臨的主要挑戰(zhàn)是進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，降低生產(chǎn)和整體裝置成本，實(shí)現(xiàn)裝置的靈活性，以及利用豐富的綠色原材料實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn)工藝，還包括開(kāi)發(fā)易于回收和升級(jí)的儲(chǔ)能裝置系統(tǒng)[9]。在眾多原材料中，纖維素衍生材料作為一種綠色原材料，可用于各種電化學(xué)儲(chǔ)能裝置的組件的制備而引起了廣泛關(guān)注[10-11]。

纖維素是地球上含量最豐富的可再生聚合物，每年光合作用產(chǎn)生的纖維素約為1 011 t，是一種取之不盡的天然資源，具有原料來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉、可再生、可生物降解等特點(diǎn)，是一種環(huán)境友好型材料，其主要結(jié)構(gòu)是由D-吡喃型葡萄糖為單元通過(guò)1,4-β-糖苷鍵構(gòu)成的線型高分子化合物。從這種綠色材料中提取出的納米纖維素具有高長(zhǎng)徑比、高比表面、優(yōu)異的力學(xué)性能、良好的熱穩(wěn)定性和含豐富羥基的表面活性等優(yōu)點(diǎn)，使它們成為先進(jìn)的功能性材料的重要組成部分。納米纖維素被廣泛應(yīng)用于食品包裝[12]、仿生材料[13]、超級(jí)電容器[14]、生物醫(yī)藥[15]等方面，此外，還有許多潛在的應(yīng)用領(lǐng)域。通過(guò)不同的制備技術(shù)，可以以不同的纖維素為原料制備出具有各種結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)性質(zhì)的納米纖維素及其衍生物。所得的納米纖維素可以用來(lái)制備LIBs的電極和具有可控孔結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定納米多孔電池隔膜，實(shí)現(xiàn)電極的電分離和離子遷移，提高其電化學(xué)性能[16]。

本文旨在通過(guò)實(shí)例說(shuō)明納米纖維素在LIBs電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，先后綜述了纖維素納米纖維(CNF)、纖維素納米晶體(CNC)和細(xì)菌纖維素(BC)的制備原理和改性方法，概述納米纖維素在LIBs領(lǐng)域中的研究進(jìn)展，最后對(duì)該領(lǐng)域存在的一些問(wèn)題進(jìn)行了歸納和總結(jié)，以期為納米纖維素的深入研究及應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 納米纖維素

1.1 概述

20世紀(jì)80年代，Turbak等[17]從天然纖維素中提取出一種具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的納米材料，被稱(chēng)為納米纖維素。通過(guò)不同的納米纖維化和合成方法，可以從不同的原料中制備出具有不同結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)性質(zhì)的納米纖維素(典型的微觀形貌如圖1所示，納米纖維素的種類(lèi)、來(lái)源、制備方法和尺寸見(jiàn)表1)。

表1 納米纖維素的種類(lèi)、來(lái)源、制備和尺寸Table 1 The types,sources,preparation method and size of nano cellulose

a-d.從木材中提取的CNF納米纖維束CNF nanofiber bundles extracted from wood;e,f.從木材中提取的CNF單個(gè)纖維 CNF individual nanofibers extracted from wood;g.從棉花中提取出的CNC束CNC bundles extracted from cotton; h,i.分別是從棉花和背囊動(dòng)物中提取出的單個(gè)CNC individual CNC extracted from cotton and tunicate, respectively;j.從蔗糖中由細(xì)菌發(fā)酵產(chǎn)生的BC BC produced by bacterial fermentation from sucrose圖1 納米纖維素典型的微觀形貌圖[18-25]Fig.1 Microstructure images of nanocellulose[18-25]

從木材和其他植物原料中可以提取出兩種納米纖維素，一類(lèi)是纖維素納米纖維(CNF)，也稱(chēng)為納米纖維纖維素(NFC)或微纖維纖維素(MFC)，另一類(lèi)是纖維素納米晶體(CNC)，也稱(chēng)為纖維素晶須(NCW)。CNF主要是通過(guò)機(jī)械處理纖維素懸浮液獲得的，呈細(xì)長(zhǎng)的絲狀結(jié)構(gòu)，具有高黏度、高韌性等特點(diǎn)，而CNC主要是通過(guò)水解纖維素的非結(jié)晶區(qū)域獲得的，呈短棒狀結(jié)構(gòu)具有結(jié)晶度高，剛性強(qiáng)的特點(diǎn)。細(xì)菌纖維素(BC)構(gòu)成了第三種納米纖維素，它是由微生物發(fā)酵培養(yǎng)產(chǎn)生的，無(wú)需機(jī)械處理即可獲得，它非常純凈，主要由α-纖維素組成，這使得它更容易改性[26]。除了上述納米纖維素外，還可以通過(guò)各種制備方法從不同的前體中制備出具有其他形狀的納米纖維素。例如，球形纖維素納米粒是經(jīng)一系列纖維素衍生物逐漸發(fā)展而來(lái)，而帶狀纖維素納米粒則是通過(guò)靜電紡絲技術(shù)以纖維素為前體生產(chǎn)得到[27-29]。這些纖維素納米粒也具有電化學(xué)儲(chǔ)能應(yīng)用的潛力。在這篇綜述中，將重點(diǎn)介紹纖維素納米纖維、納米纖維素晶體和細(xì)菌纖維素。

1.2 纖維素納米纖維(CNF)

1.2.1CNF的制備 天然纖維素由結(jié)晶區(qū)和無(wú)定形區(qū)交錯(cuò)構(gòu)成。由于纖維素結(jié)晶區(qū)分子排列緊密，而無(wú)定形區(qū)分子排列松散，所以制備具有較高結(jié)晶度的納米纖維素的方法就是通過(guò)不同的處理方法一定程度上保留結(jié)晶區(qū)，破壞降解掉無(wú)定形區(qū)。目前，制備纖維素納米纖維的方法主要為機(jī)械法，包括直接機(jī)械處理和酶預(yù)處理結(jié)合機(jī)械法以及化學(xué)預(yù)處理結(jié)合機(jī)械法[30-32]。

20世紀(jì)80年代，Turbak等[17]第一個(gè)開(kāi)發(fā)了CNF的制備方法，他們通過(guò)高壓均質(zhì)機(jī)從纖維素懸浮液中獲得納米尺寸的CNF。在纖維素納米纖維往復(fù)運(yùn)動(dòng)纖化的過(guò)程中，纖維素懸浮液通過(guò)高壓泵輸送，多次經(jīng)過(guò)均質(zhì)機(jī)，均質(zhì)機(jī)的閥門(mén)在往復(fù)運(yùn)動(dòng)中不斷打開(kāi)和閉合，這樣會(huì)形成剪切力和沖擊力，從而促使纖維素纖維的納米纖絲化。隨著科技進(jìn)步，現(xiàn)在有許多機(jī)械設(shè)備用于生產(chǎn)CNF，除了均質(zhì)機(jī)，還有微流控機(jī)、研磨機(jī)和高強(qiáng)度超聲波儀等等。然而，直接使用機(jī)械設(shè)備制備CNF會(huì)消耗大量的能量，并且會(huì)使一部分CNF分散到水中造成損失。

生物質(zhì)原材料內(nèi)部存在大量羥基，葡萄糖單元分子間會(huì)形成較強(qiáng)作用力的氫鍵，使纖維素分子緊密地連接在一起，此外，原材料中還存在木質(zhì)素和半纖維素等物質(zhì)，他們或多或少與纖維素之間會(huì)相互作用。所以，為了更好從纖維素中制備出CNF，同時(shí)降低能量消耗，從纖維素中去除基質(zhì)(主要是木質(zhì)素和半纖維素)是納米纖絲化之前非常關(guān)鍵的過(guò)程。為了提高纖維素的分離效果，同時(shí)降低能量消耗，在機(jī)械處理之前，需要對(duì)纖維素進(jìn)行一定的預(yù)處理。纖維素的預(yù)處理方法主要有酶預(yù)處理和化學(xué)預(yù)處理兩種。酶預(yù)處理是通過(guò)纖維素酶對(duì)纖維素進(jìn)行分解，大大削弱纖維素分子間的強(qiáng)氫鍵作用，同時(shí)破壞纖維素與基質(zhì)之間的相互作用力，為后續(xù)機(jī)械處理纖維制備CNF提供了重要的基礎(chǔ)。Henriksson等[33]通過(guò)內(nèi)切葡聚糖酶預(yù)處理結(jié)合高壓均質(zhì)的方法處理云杉木紙漿獲得纖維素納米纖維。Paakko等[21]通過(guò)酶解結(jié)合機(jī)械剪切和高壓均質(zhì)制備出具有高長(zhǎng)徑比和網(wǎng)狀糾纏結(jié)構(gòu)的CNF。Long等[34]通過(guò)將半纖維素酶、裂解多糖單加氧酶(LPMO)和漆酶等多種酶進(jìn)行混合并用于預(yù)處理，再采用高強(qiáng)度超聲波處理制備出高長(zhǎng)徑比的CNF。酶預(yù)處理結(jié)合機(jī)械法是一種可以制備出高質(zhì)量CNF的方法，具有操作簡(jiǎn)單、重復(fù)性好和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，然而所獲得的CNF沒(méi)有功能化，需要進(jìn)一步地改性以拓寬其應(yīng)用范圍。

化學(xué)預(yù)處理結(jié)合機(jī)械法是制備CNF另一種有效的方法?；瘜W(xué)預(yù)處理和酶預(yù)處理原理相似，都是通過(guò)削弱纖維素分子間的強(qiáng)氫鍵作用，同時(shí)破壞纖維素與基質(zhì)之間的相互作用力的過(guò)程為后續(xù)機(jī)械處理纖維制備CNF提供了重要的基礎(chǔ)。不同在于化學(xué)預(yù)處理是在纖維素的表面引入電荷，這些電荷通過(guò)降低能耗等作用來(lái)幫助纖維素進(jìn)行納米纖絲化。例如，帶電基團(tuán)產(chǎn)生排斥力，可以削弱氫鍵作用。Isogai等[35]通過(guò)2，2，6，6-四甲基哌啶氮氧化物(TEMPO)氧化纖維素，再通過(guò)溫和的機(jī)械分解處理獲得CNF。Wagberg等[23]用羧甲基纖維素來(lái)生產(chǎn)CNF，他們先對(duì)纖維素進(jìn)行羧甲基化預(yù)處理，然后進(jìn)行高壓均質(zhì)化，最后再經(jīng)過(guò)高強(qiáng)度超聲波處理和離心，成功制備CNF。

經(jīng)過(guò)酶預(yù)處理和化學(xué)預(yù)處理再經(jīng)機(jī)械處理制備的CNF具有高長(zhǎng)徑比和網(wǎng)狀纏繞結(jié)構(gòu)，有利于發(fā)展薄膜、氣凝膠等柔性基底，有利于與活性材料的集成，有利于將CNF轉(zhuǎn)化為炭材料，進(jìn)而為柔性、高強(qiáng)度鋰離子電池開(kāi)發(fā)電極和電池隔膜。

雖然CNF具有高的長(zhǎng)徑比、大的比表面積、優(yōu)異的力學(xué)性能、良好的生物相容性和可降解性等優(yōu)點(diǎn)，但由于CNF表面存在大量的羥基，具有很強(qiáng)的極性，使得其與非極性介質(zhì)的界面相容性很弱，不能均勻分散在大部分的非極性介質(zhì)中，易于團(tuán)聚，造成其功能單一，應(yīng)用范圍受到限制。為擴(kuò)大CNF的應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)CNF進(jìn)行改性。CNF可以通過(guò)表面吸附、化學(xué)接枝或聚合物接枝3種方法進(jìn)行改性。

1.2.2CNF改性

1.2.2.1吸附改性 CNF的表面吸附改性是一種物理改性方法，它將功能性物質(zhì)通過(guò)吸附作用于CNF表面，該方法容易操作，是CNF改性最簡(jiǎn)單的方法。物理吸附可以分為兩種，即聚電解質(zhì)吸附和其他組分吸附。

聚電解質(zhì)吸附是指帶電的聚合物通過(guò)離子間的相互作用結(jié)合到纖維素的表面，影響其結(jié)合程度的因素主要有表面的電荷密度、電荷分布以及體系中存在的鹽。2008年，Wagberg等[23]首次使用這種方法將陽(yáng)離子聚電解質(zhì)(如聚乙烯亞胺(PEI)、聚二烯丙基二甲基氯化銨(PDADMAC)或聚鹽酸烯丙胺(PAH)等)吸附到羧甲基化纖維素納米纖維表面，得到了CNF與電解質(zhì)形成的多層膜，成功改性CNF。2012年，Martins等[36]也是用這種方法將銀納米粒子結(jié)合到CNF表面，陽(yáng)離子聚電解質(zhì)充當(dāng)它們連接的橋梁，得到的CNF表現(xiàn)出抗菌性能。2013年，Larsson等[37]合成了一種共聚物，這種共聚物是季銨化的聚(甲基丙烯酸2-二甲基氨基乙基酯)(qPDMAEMA)聚電解質(zhì)嵌段和聚(二甘醇甲基醚甲基丙烯酸酯)(PDEGMA)熱敏嵌段組成的陽(yáng)離子共聚物，他們將其吸附在CNF表面，獲得了具有熱敏性的CNF。

其他組分吸附是指不帶電的其他組分可以通過(guò)纖維素結(jié)合力、范德華力或分子間氫鍵作用吸附到纖維素表面。Syverud等[38]將陽(yáng)離子表面活性劑如十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)吸附到通過(guò)TEMPO氧化得到的CNF(TOCNF)的表面，獲得了具有中度疏水性的TOCNF，改性后的接觸角為60°，而改性前的TOCNF為42°。Lozhechnikova等[39]將合成的具有兩親性的半乳糖葡甘聚糖(GGM)吸附到CNF表面，獲得了接觸角為60°的CNF，且保持了GGM的天然結(jié)構(gòu)。

總之，通過(guò)物理吸附對(duì)CNF進(jìn)行表面修飾是一種綠色、成本低、簡(jiǎn)單的方法，可以進(jìn)行工業(yè)化。但是，吸附改性得到的產(chǎn)物通常不穩(wěn)定，會(huì)使其在不同的使用環(huán)境中表現(xiàn)出參差不齊的性能，影響其使用效果。

1.2.2.2分子接枝改性 分子接枝是賦予CNF新特性的又一種方法，原理是將分子通過(guò)化學(xué)反應(yīng)接枝到CNF表面基團(tuán)上?；瘜W(xué)接枝發(fā)生在CNF表面羥基或羧基上，主要有酯化、硅烷基化和酰胺化反應(yīng)等。

CNF酯化改性主要是使用脂肪族或芳香族羧酸試劑對(duì)纖維素進(jìn)行處理，大部分反應(yīng)是在有機(jī)介質(zhì)中進(jìn)行。Tang等[40]以無(wú)機(jī)試劑為介質(zhì)采用球磨和超聲波連續(xù)處理纖維素，使其在物理和化學(xué)協(xié)同作用下直接反應(yīng)獲得了馬來(lái)酸酐酯化修飾的CNF。Singh等[41]使用丙酸酐間接酯化法對(duì)從小麥秸稈中分離出來(lái)的CNF進(jìn)行表面改性，獲得了疏水性較好、結(jié)晶度和形態(tài)無(wú)變化的CNF。Cunha等[42]在溫度80 ℃ 條件下，用月桂酰氯在甲苯和吡啶中與純凈CNF反應(yīng)1 h制備了酯化改性的CNF，然后與未改性的CNF混合制備了雙油包水包油乳化液，并且在一個(gè)月的時(shí)間內(nèi)顯示出優(yōu)異的穩(wěn)定性。Missoum等[43]報(bào)道了一種在離子液體中使用不同酸酐(醋酸、丁酸、異丁酸和己酸)對(duì)CNF酯化改性的新方法，離子液體被認(rèn)為是綠色溶劑，因?yàn)樗鼈儾会尫艙]發(fā)性有機(jī)化合物，并且可以回收利用。結(jié)果表明：具有較長(zhǎng)鏈酸酐的CNF有著更高的接觸角(100°)。

CNF的硅烷化改性是通過(guò)化學(xué)改性的手段以硅烷基團(tuán)取代CNF表面的羥基。硅烷基化改性后的CNF可以用于吸附水溶液中金屬離子。Hokkanen 等[44]將3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)與CNF混合反應(yīng) 2 h，成功制備了硅烷化改性的CNF，然后測(cè)試了改性后的CNF在不同的濃度、接觸時(shí)間和pH值下對(duì)鎘(II)、銅(II)和鎳(II)等金屬陽(yáng)離子的吸附能力。結(jié)果表明：改性后的CNF是一種良好的吸附劑，在pH值為5時(shí)達(dá)到最佳效果，此時(shí)最大吸附量為2.72～4.20 mmol/g。對(duì)CNF硅烷基化改性可以賦予其疏水性能。Andresen等[45]使用氯二甲基異丙基硅烷試劑(CDMIPS)制備了具有疏水性的CNF。Chinga-Carrasco等[46]用六甲基二硅氮烷成功改性羧甲基化CNF，并用改性后的CNF制備了接觸角為90°的疏水膜。

CNF的酰胺化反應(yīng)是通過(guò)?；瘎┡cCNF上的極性羧基反應(yīng)生成?；?。改性后CNF增強(qiáng)了疏水性能，并提高了其在多種有機(jī)溶劑中的分散性。Johnson等[47]用十八烷基胺(ODA)對(duì)CNF進(jìn)行酰胺化改性，改性后的CNF疏水性得到了極大增強(qiáng)，可以更好地分散在甲苯、四氫呋喃、異丙醇等有機(jī)溶劑中。

1.2.2.3聚合物接枝改性 聚合物接枝改性是表面修飾CNF的第三種方法，原理是引入具有功能性的聚合物鏈。CNF表面的羥基或者羧基可以與聚合物發(fā)生聚合反應(yīng)，從而將聚合物接枝到CNF上。通過(guò)這個(gè)方法得到的改性CNF在極性和非極性介質(zhì)中均具有良好的分散穩(wěn)定性，且賦予了CNF特殊的功能性。Stenstad等[48]將甲基丙烯酸縮水甘油酯(GMA)聚合接枝到CNF表面，賦予了其疏水性能。Zhang等[49]在N,N-亞甲基雙丙烯酰胺作為交聯(lián)劑的情況下，通過(guò)原位自由基聚合將聚丙烯酸鈉單體聚合并接枝到物理交聯(lián)的CNF水凝膠球體上，制得了具有吸附性能的氣凝膠微球，該球體的吸水能力高達(dá)1 030 g/g，可以作為一種新型的超級(jí)吸收劑。

1.3 纖維素納米晶體(CNC)

1.3.1CNC的制備 CNC是一種表面具有很多羥基基團(tuán)的棒狀或針狀的納米纖維素。制備原理與CNF相似，都是通過(guò)不同的方法將纖維素分子的非結(jié)晶區(qū)降解，保留結(jié)晶區(qū)。目前，CNC常見(jiàn)的制備方法為水解法和水解預(yù)處理結(jié)合機(jī)械法等。

水解法是制備CNC最常采用的一種方法，主要有酸水解法和酶水解法兩種。酶水解法又包括無(wú)機(jī)酸水解法和有機(jī)酸水解法。無(wú)機(jī)酸水解法多采用強(qiáng)酸溶液對(duì)纖維進(jìn)行處理，Zhang等[50]分別采用硫酸、鹽酸、磷酸或乙酸與硝酸的混合溶液水解竹纖維制備了不同納米尺寸的CNC，發(fā)現(xiàn)與使用鹽酸以及乙酸和硝酸混合物制備的CNC相比，使用硫酸和磷酸制備的CNC具有更高的結(jié)晶度和更低的熱穩(wěn)定性。結(jié)果表明：酸的類(lèi)型對(duì)CNC的結(jié)構(gòu)、形態(tài)和熱穩(wěn)定性有很大影響。由于無(wú)機(jī)酸水解法多數(shù)使用強(qiáng)酸溶液，存在酸使用量大、酸回收困難、耗水量大及水解反應(yīng)器腐蝕嚴(yán)重等缺點(diǎn)，限制了其工業(yè)生產(chǎn)和應(yīng)用。因此，有機(jī)酸水解法應(yīng)運(yùn)而生。與無(wú)機(jī)酸水解相比，有機(jī)酸水解法具有反應(yīng)條件溫和、綠色和CNC的形貌可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。Bian等[51]采用60%的馬來(lái)酸在120 ℃下水解闊葉木漿纖維120 min成功制備出CNC，直徑為25 nm，長(zhǎng)度為230 nm，CNC的得率僅有6%。Li等[52]首次采用98%的甲酸在95 ℃ 下水解白樺木漿纖維6 h成功制備出CNC，直徑為2～4 nm，長(zhǎng)度為50～300 nm，CNC的得率達(dá)到70%。有機(jī)酸水解法雖然具有諸多優(yōu)點(diǎn)，然而由于有機(jī)酸的酸性較弱，所以制備CNC需要較長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間，并且得率也不太理想，需要與機(jī)械處理或者加入催化劑等方式相結(jié)合來(lái)提高水解效率。

酶水解法制備CNC是利用具有特異性的纖維素酶選擇性地水解纖維素的無(wú)定形區(qū)域，保留結(jié)晶區(qū)的一種方法。Martelli-Tosi等[53]以化學(xué)預(yù)處理的大豆秸稈作為原料，利用纖維素酶水解出直徑為5 nm，長(zhǎng)度超過(guò)300 nm的CNC，并且具有較高的電穩(wěn)定性(Zeta電位范圍為-24.5～-20.8 mV)。與酸水解法相比，酶水解法使用的化學(xué)試劑較少，是一個(gè)能耗低、污染小的綠色過(guò)程，但是得率較低。

直接使用機(jī)械設(shè)備制備CNC的過(guò)程與機(jī)械法制備CNF相似，都需要使用均質(zhì)機(jī)、球磨儀、超聲波粉碎儀等特殊設(shè)備去降低纖維尺寸和提高比表面積，所制備的CNC存在尺寸較大且分布不均勻等問(wèn)題。因此，通常采用水解預(yù)處理結(jié)合機(jī)械處理等方法來(lái)制備CNC。Henriksson等[54]以云杉的漂白亞硫酸鹽木漿為原料，通過(guò)內(nèi)切葡聚糖酶水解或酸水解與機(jī)械剪切相結(jié)合的方式處理纖維素木漿制備CNC。Niu等[55]采用混合酸水解和超聲處理相結(jié)合的方法處理微晶纖維素成功制備CNC，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著水解時(shí)間從2 h增加到10 h，CNC長(zhǎng)度從 205 nm減小到89 nm，說(shuō)明在兩者共同作用的情況下，可以有效促進(jìn)CNC的形成且有利于CNC尺寸的減小。

CNC具有較高的比表面積和結(jié)晶度，可以與活性材料結(jié)合或轉(zhuǎn)化為炭材料以開(kāi)發(fā)具有高比表面積的電極材料。CNC獨(dú)特納米結(jié)構(gòu)和理化性能使其應(yīng)用潛力巨大，但是CNC表面具有豐富的羥基，容易通過(guò)氫鍵作用發(fā)生團(tuán)聚，這種團(tuán)聚很難利用超聲波處理、攪拌等物理方法重新打開(kāi)。對(duì)CNC表面改性是避免CNC團(tuán)聚的有效手段，同時(shí)也可以賦予 CNC新的物理化學(xué)性質(zhì)，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。CNC表面改性主要有3種方法，包括表面接枝改性、硅烷偶聯(lián)劑改性和表面活性劑改性。

1.3.2CNC改性

1.3.2.1表面接枝改性 CNC由大量的葡萄糖基單元結(jié)構(gòu)組成，其表面的極性羥基具有很強(qiáng)的反應(yīng)活性。因此對(duì)CNC的表面接枝改性就是化合物與CNC葡萄糖環(huán)結(jié)構(gòu)上的表面羥基發(fā)生取代反應(yīng)，減少CNC分子間氫鍵作用從而達(dá)到提高分散性的效果，同時(shí)在CNC表面引入新的功能性基團(tuán)，賦予 CNC新的理化性質(zhì)。Kloser等[56]用兩步法制備了聚環(huán)氧乙烷接枝的CNC的水懸浮液。他們先用硫酸水解纖維素制備CNC懸浮液，然后，在堿性條件下，用環(huán)氧樹(shù)脂封端的聚環(huán)氧乙烷對(duì)CNC晶體表面進(jìn)行功能化改性。結(jié)果表明：聚環(huán)氧乙烷接枝的CNC形成了穩(wěn)定的膠體懸浮液，并保持良好的分散性,濃縮聚環(huán)氧乙烷接枝的CNC水懸浮液質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于5%時(shí)，觀察到了手性向列相液晶。Yi等[57]將N,N-二甲基氨基乙基甲基丙烯酸酯接枝到CNC晶體表面，獲得了熱敏性CNC晶體顆粒。

1.3.2.2硅烷偶聯(lián)劑改性 硅烷偶聯(lián)劑改性是另一種用于CNC晶體改性的常用方法，其原理實(shí)際是硅烷偶聯(lián)劑水解后得到硅醇，然后與CNC晶體表面的羥基反應(yīng)，從而賦予CNC晶體表面新的功能基團(tuán)，并達(dá)到提高CNC晶體分散性的效果。Xu[58]用3-氨基丙基三乙氧基硅烷(KH550)對(duì)CNC晶體進(jìn)行改性，使CNC在天然橡膠中的界面分散性明顯提高。

1.3.2.3表面活性劑改性 表面活性劑法改性就是加入表面活性劑，其上的活性基團(tuán)與CNC晶體表面上的活性羥基產(chǎn)生鍵和作用，從而使CNC產(chǎn)生新的性質(zhì)。Podczeck等[59]用親水性或者疏水性非離子表面活性劑或者兩種表面活性劑的混合物處理CNC，在異丁苯丙酸水溶液中能形成用于藥物快速釋放的尺寸分布較窄且分散性良好的圓形顆粒。

1.4 細(xì)菌纖維素(BC)

1.4.1BC的制備 BC是一種不含官能團(tuán)(羰基、羧基)、十分純凈且具有高長(zhǎng)徑比的納米纖維素。BC通過(guò)微生物發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)生，最有效的生產(chǎn)者是木醋桿菌，也可以通過(guò)醋桿菌屬、農(nóng)桿菌屬、產(chǎn)堿桿菌屬、假單胞菌屬、根瘤菌屬、藤黃根瘤菌屬的某些細(xì)菌在細(xì)胞外分泌獲得[60]。與通過(guò)機(jī)械法或化學(xué)法獲得的CNF或者CNC不同，細(xì)菌通過(guò)纖維素生物合成和微纖維束的構(gòu)建來(lái)產(chǎn)生細(xì)菌纖維素[61]。通過(guò)這種方式合成的BC是一種寬約100 nm、長(zhǎng)約100 mm的帶狀原纖維，由2～4 nm寬的納米纖維組成[62]。與植物纖維素相比，BC還具有更高的持水能力、更高的聚合度和更細(xì)的網(wǎng)狀網(wǎng)格。此外，BC是以高度水合和相對(duì)純的纖維素膜的形式產(chǎn)生的，不含木質(zhì)素和其他雜質(zhì)。

BC是一種網(wǎng)狀網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的高純度纖維素，可以與活性材料結(jié)合或轉(zhuǎn)化為炭材料以開(kāi)發(fā)柔性電極材料。然而，與木材中提取的CNF相比，BC盡管已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，但是成本相對(duì)較高。

BC的優(yōu)良性能和應(yīng)用前景受到人們的廣泛關(guān)注，但由于其聚合度高和官能團(tuán)單一使得其難以改性，限制了應(yīng)用范圍。因此，對(duì)BC改性的方法就是通過(guò)其表面的羥基引入功能性基團(tuán)，賦予其新的性能，以擴(kuò)寬其應(yīng)用領(lǐng)域。目前，BC改性方法主要有3種：生物改性、化學(xué)改性和復(fù)合改性。

1.4.2BC改性

1.4.2.1生物改性 BC的生物改性就是在BC合成之前加入一些具有特殊功能的物質(zhì)，讓其參與BC的合成，從而達(dá)到調(diào)控BC性質(zhì)目的。Phisalaphong等[63]向培養(yǎng)基中加入0.007 5 g/mL的殼聚糖參與BC合成，獲得了更大比表面積和結(jié)構(gòu)更緊密的BC-殼聚糖膜，并賦予了BC良好的抗菌性。Taokaew等[64]向椰汁培養(yǎng)基中加入明膠，獲得了具有更高的透光率和含水率的BC-明膠，且在明膠質(zhì)量濃度高于0.03 g/mL 時(shí)，復(fù)合膜的機(jī)械強(qiáng)度和孔隙率均有所下降。

1.4.2.2化學(xué)改性 BC的化學(xué)改性就是加入化學(xué)物質(zhì)與BC表面的羥基發(fā)生反應(yīng)得到BC的衍生物，賦予其新的特性。目前，BC的化學(xué)改性主要有酯化、醚化、接枝共聚等等。Oshima等[65]對(duì)BC進(jìn)行磷酸化處理，獲得的纖維素很好地保留了其微觀結(jié)構(gòu)，且賦予其對(duì)蛋白質(zhì)有很好的吸附作用。Yue等[66]用NaIO4和NaHSO3對(duì)BC進(jìn)行磺化處理，由于磺酸基與聚丙氨的氨基之間存在靜電吸引，聚苯胺會(huì)充分包覆BC獲得連續(xù)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。

1.4.2.3復(fù)合改性 BC的復(fù)合改性就是通過(guò)溶液浸漬法將不同組分引入BC的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中形成BC基功能納米復(fù)合材料。相比于生物改性法和化學(xué)改性，BC的復(fù)合改性是3種改性方法中最簡(jiǎn)單環(huán)保的一種方法。Yoon等[67]將BC膜浸入含有多壁碳納米管(MWCNTs)的表面活性劑中，表面活性劑是陽(yáng)離子十六烷基三甲基溴化銨的溶液，獲得了導(dǎo)電率可達(dá)1.4 ×10-1S/cm的復(fù)合膜，研究顯示BC薄膜的表面和內(nèi)部都有MWCNTs充分粘附，使復(fù)合膜變得更均勻致密。

2 納米纖維素基鋰離子電池(LIBs)

2.1 LIBs

LIBs電池被認(rèn)為是最有前途的儲(chǔ)能系統(tǒng)之一，具有能量密度高、輸出電壓大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、工作電壓高、溫度窗口寬、低自放電和無(wú)“記憶效應(yīng)”等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于手機(jī)、筆記本電腦和數(shù)碼相機(jī)等便攜式電子設(shè)備。典型的LIBs包括陰極和陽(yáng)極，以及允許鋰離子轉(zhuǎn)移但防止電極直接接觸的充滿電解質(zhì)的電池隔膜(如圖2所示)。當(dāng)電池充電時(shí)，鋰離子從陰極脫離轉(zhuǎn)移到陽(yáng)極；放電過(guò)程與充電過(guò)程相反，鋰離子通過(guò)電解質(zhì)轉(zhuǎn)移回到陰極。在充電/放電過(guò)程中，鋰離子通過(guò)在陽(yáng)極和陰極之間流動(dòng)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，并在電池內(nèi)儲(chǔ)存電化學(xué)能量。納米纖維素及其衍生物作為一種生物相容性好的綠色材料，可用于鋰電池的電極和電池隔膜的制備。

圖2 典型LIBs的工作原理示意圖[68]Fig.2 Schematic diagram of the working principle of a typical LIBs[68]

2.2 納米纖維素基柔性LIBs電極

納米纖維素具有高長(zhǎng)徑比、高比表面積和高機(jī)械強(qiáng)度等優(yōu)良性能，可以用于制備柔性LIBs的紙/膜電極。這種柔性電極是以納米纖維素為柔性基底和黏合劑，與活性材料(如Super-P碳、LiFePO4和SiO2等)復(fù)合而得到。Wang等[69]以納米纖維素、硅納米顆粒(SiNPs)和碳納米管(CNTs)為構(gòu)建模塊，通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的造紙工藝過(guò)程，制備了獨(dú)立、輕質(zhì)、柔性的SiNP/CNT/納米纖維素陽(yáng)極。他們先對(duì)納米纖維素和CNTs的懸浮液進(jìn)行超聲波處理，以確保懸浮液混合均勻，然后對(duì)納米纖維素和CNTs的水分散體進(jìn)行真空抽濾過(guò)濾成膜。在此基礎(chǔ)上，對(duì)包含SiNPs、CNTs的水分散體進(jìn)行真空抽濾，在只含有納米纖維素和CNTs的支撐層上產(chǎn)生一個(gè)含硅層，從濾膜上剝離下來(lái)就得到了SiNP/CNT/納米纖維素陽(yáng)極。由于SiNPs均勻附著在三維導(dǎo)電CNT/納米纖維素網(wǎng)絡(luò)上，所制備的電極具有良好的儲(chǔ)能性能，比電容高達(dá)800 mAh/g。通過(guò)等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)的方法也可以將硅與CNT/納米纖維素進(jìn)行復(fù)合制備電極。Hu等[70]用PECVD的方法在纖維素/CNTs納米紙氣凝膠表面沉積薄層硅來(lái)制備LIBs電極，他們先將CNTs和納米纖維素復(fù)合制備成紙氣凝膠。制備的氣凝膠是高度多孔的，具有開(kāi)放的通道，這些特征允許通過(guò)PECVD方法在纖維素/CNTs納米紙氣凝膠表面沉積薄層硅。研究表明：制備的氣凝膠作為L(zhǎng)IBs陽(yáng)極性能良好，在半電池中循環(huán)100次，比電容穩(wěn)定在1 200 mAh/g。

除了傳統(tǒng)的硅，其他活性材料(如Li4Ti5O12)也已用于與納米纖維素復(fù)合用來(lái)制備柔性紙電極。Lu等[71]用TEMPO氧化的CNF作為黏合劑，與Li4Ti5O12和碳纖維(CF)復(fù)合用來(lái)制備柔性的LIBs電極。研究表明：少量的CNF(2%)制備的Li4Ti5O12復(fù)合電極具有高能量密度。當(dāng)以Li4Ti5O12/CF/CNF為負(fù)極，LiFePO4/CF/CNF為正極組裝成一個(gè)完整的電池，具有穩(wěn)定的循環(huán)性能，放電電流0.1C(C表示在一個(gè)小時(shí)內(nèi)完全給電極材料充電所需的電流)下循環(huán)20次后，比電容約為125 mAh/g，質(zhì)量能量密度(Li4Ti5O12基電池)約為90 Wh/kg，有望用于全電池柔性電池的研究。Leijonmarck等[72]根據(jù)造紙工藝通過(guò)有序的真空抽濾含有負(fù)極(包含石墨、Super-P碳和CNF組成)、電池隔膜(包含SiO2和CNF)和正極(包含LiFePO4、Super-P碳和CNF)的水分散體制備了一種單紙柔性LIBs。制得的單紙柔性LIBs具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和良好的循環(huán)性能，0.1C時(shí)單紙柔性LIBs的質(zhì)量能量密度為188 Wh/kg。

納米纖維素因?yàn)榫哂芯W(wǎng)狀網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、高長(zhǎng)徑比和易加工等特點(diǎn)在LIBs電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域擁有巨大的潛力。然而，其應(yīng)用還有不足，由于大多數(shù)電極材料都是簡(jiǎn)單地通過(guò)將活性材料與納米纖維素混合來(lái)合成的，這導(dǎo)致界面相互作用較低。為了改善界面相互作用，應(yīng)考慮使用共價(jià)或非共價(jià)技術(shù)優(yōu)化納米纖維素和活性材料之間的界面，以獲得具有適當(dāng)和有效負(fù)荷容量、高柔性、高機(jī)械強(qiáng)度和良好電化學(xué)性能的LIBs。

2.3 納米纖維素衍生的炭材料作電極

納米纖維素衍生的炭材料具有較高的導(dǎo)電性和較好的電穩(wěn)定性，可以直接用作LIBs的電極。Wang等[73]利用KOH對(duì)熱解后的BC進(jìn)行化學(xué)活化，成功地制備了納米纖維素衍生而來(lái)的多功能三維導(dǎo)電多孔炭納米纖維網(wǎng)絡(luò)，并將其用于LIBs的陽(yáng)極。所制備電極比表面積高達(dá)1 235.58 m2/g，具有獨(dú)特的多孔結(jié)構(gòu)，可以擴(kuò)大活性物質(zhì)與電解液的接觸面積，縮短鋰離子的擴(kuò)散長(zhǎng)度，從而顯著提高其電化學(xué)性能。電極具有良好的循環(huán)性能，電流密度為100 mA/g下循環(huán)100次，比電容可達(dá)857 mAh/g，即使在4 000 mA/g電流密度下循環(huán)，仍然保持325.4 mAh/g的比電容。

為了進(jìn)一步提高電化學(xué)性能，有研究將活性材料與納米纖維素結(jié)合，開(kāi)發(fā)出炭化復(fù)合材料。Li等[74]首次報(bào)道了基于氧化石墨烯(GO)和CNF的高導(dǎo)電性微纖維。他們通過(guò)對(duì)排列整齊的GO和CNF混合纖維進(jìn)行炭化，制備了電導(dǎo)率(649±60)S/cm的微纖維(如圖3所示)。GO作為CNF炭化的模板，在促進(jìn)CNF炭化的同時(shí)，使炭化后的CNF形貌由微球變?yōu)槠瑺?。此外，炭化的CNF修復(fù)了還原GO(rGO)的缺陷，并將rGO片連接在一起。將CNF負(fù)載于GO模板上進(jìn)行炭化處理，產(chǎn)生了沿纖維方向的定向排列賦予了微纖維良好的導(dǎo)電性。微纖維被證明可作為L(zhǎng)IBs的陽(yáng)極，比電容穩(wěn)定在312 mAh/g。

圖3 CNF/GO衍生雜化炭纖維的制備[74]Fig.3 Preparation of CNF/GO derived hybrid carbon fibers[74]

納米纖維素衍生的炭材料還可以作為多功能導(dǎo)電多孔支架來(lái)支撐活性陽(yáng)極材料。Wang等[75]采用熱解后的BC產(chǎn)生的三維多孔結(jié)構(gòu)作為支架來(lái)支持活性SnO2和Ge納米顆粒作為陽(yáng)極。他們通過(guò)原位組裝的方法使SnO2和Ge納米粒子均勻固定在BC炭納米纖維表面。結(jié)果顯示：基于BC炭化產(chǎn)生的獨(dú)特的三維多孔結(jié)構(gòu)-SnO2復(fù)合氣凝膠即使在100 mA/g電流密度下循環(huán)100次，其比電容仍保持在約600 mAh/g，具有較高的比電容和良好的循環(huán)穩(wěn)定性。他們的研究為設(shè)計(jì)具有高比電容活性材料的新型無(wú)黏合劑陽(yáng)極結(jié)構(gòu)提供了有效的方法。

納米纖維素衍生的炭材料具有高比表面積、高導(dǎo)電性和多孔結(jié)構(gòu)等優(yōu)良性能，用作LIBs的炭電極具有良好的電化學(xué)性能，其與活性材料的結(jié)合可以進(jìn)一步提高電化學(xué)性能，應(yīng)更加關(guān)注納米纖維素衍生的炭材料與具有高理論容量的活性材料(如二氧化錫和鍺)的合理結(jié)合。同時(shí)，納米纖維素衍生的炭材料也可以作為多功能導(dǎo)電多孔支架來(lái)支撐活性陽(yáng)極材料。因此，在制造過(guò)程中，應(yīng)仔細(xì)控制固定在炭材料上的活性材料的形態(tài)和結(jié)晶，還應(yīng)考慮這些活性組分和電解質(zhì)之間的界面相互作用。

2.4 納米纖維素衍生的電池隔膜

LIBs的電池隔膜可看作防止正極和負(fù)極之間直接接觸的分離器，同時(shí)充當(dāng)電解液儲(chǔ)槽，使鋰離子能夠在兩個(gè)電極之間傳輸。電池隔膜雖然不參與電池化學(xué)反應(yīng)，但其結(jié)構(gòu)和性能在決定LIBs性能方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。采用納米纖維素制備的紙/膜具有親水性好、機(jī)械強(qiáng)度高及熱穩(wěn)定性高等優(yōu)良性能，使其作為L(zhǎng)IBs電池隔膜的研究引起關(guān)注。

CNF制備的親電膜與商業(yè)化的聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯隔膜相比，顯示出更高的強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性，在離子傳導(dǎo)率、電解質(zhì)潤(rùn)濕性和熱收縮率方面也得到了實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)。Kim等[76]制備了CNF為電池隔膜的LIBs，結(jié)果顯示：在0.2C下循環(huán)50次后，容量保持率為99.5%，具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性。Gonalves等[77]報(bào)道了一種基于CNC的新型高比表面積電池隔膜，C/2和2C下的比電容分別為122和85 mAh/g，具有良好的循環(huán)性能。1C和2C下循環(huán)60次后，該膜仍具有良好的比電容保持率，表明該膜具有長(zhǎng)期的穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，提出將離子液體與電池隔膜結(jié)合，C/8下循環(huán)10次，比電容可達(dá)91 mAh/g，可用于開(kāi)發(fā)環(huán)境友好型電池隔膜-電解質(zhì)體系。Pan等[78]開(kāi)發(fā)了一種以雙層納米纖維素為基底的氧化還原活性電池隔膜，可用于增強(qiáng)LIBs的電化學(xué)容量。

近幾年，Choi等[79]開(kāi)發(fā)了一種CNF制作的新型電池隔膜，以一種組合式隔膜/電極組件(SEA)結(jié)構(gòu)為基底的納米模塊電池(如圖4所示)。由網(wǎng)狀活性材料單壁碳納米管(SWNT)粉末為電極(LiFePO4為陰極，Li4Ti5O12為陽(yáng)極)，CNF為電池隔膜組成，具有良好的納米多孔結(jié)構(gòu)的CNF電池隔膜在保證電極-分離器界面的緊密結(jié)合方面發(fā)揮了重要作用。SEA中的SWNT作為電子導(dǎo)電添加劑、黏合劑、電流收集器，表現(xiàn)出多功能的作用。SEA的這種結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)上的獨(dú)特性使得電極活性材料的負(fù)荷容量、電子傳輸途徑、電解質(zhì)的可及性和分離器/電極界面的防錯(cuò)位性得到了顯著的改善。這種采用陽(yáng)極SEA-陰極SEA疊層法制備的納米模塊電池在電化學(xué)性能、柔軟性、靈活性和安全性等方面都有較大的提高，納米模塊電池新穎的結(jié)構(gòu)概念在開(kāi)發(fā)高性能柔性LIBs方面具有很大的前景。

圖4 基于納米模塊(CNF/SWNT)的SEA的制備[79]Fig.4 Fabrication of nanobuilding block(CNF/SWNT)-based SEA[79]

用納米纖維素為基底制作的電池隔膜具有多孔結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度、電化學(xué)性和熱穩(wěn)定性，對(duì)電解質(zhì)顯示出高的潤(rùn)濕性，使得它們有望成為L(zhǎng)IBs的候選材料。但仍然有些不足，由于納米纖維素通常密集地填充在薄隔膜中，精確控制孔結(jié)構(gòu)和尺寸是一個(gè)挑戰(zhàn)。

3 結(jié)語(yǔ)和展望

納米纖維素作為一種新型環(huán)境友好材料，具有含羥基豐富的反應(yīng)性表面、纏結(jié)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、高比表面積、高結(jié)晶度以及優(yōu)異的機(jī)械性和熱穩(wěn)定性等特點(diǎn)，可用于鋰離子電池電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的構(gòu)建，近年來(lái)取得了顯著的進(jìn)展。盡管其已經(jīng)被成功開(kāi)發(fā)出用于構(gòu)建鋰離子電池電極及電池隔膜等構(gòu)件，但是對(duì)此材料的基礎(chǔ)性能了解以及深入應(yīng)用方面還存在一些問(wèn)題。1)實(shí)現(xiàn)納米纖維素的高質(zhì)量大規(guī)模生產(chǎn)。雖然，納米纖維素的制備已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)，但仍然存在生產(chǎn)成本高、能量消耗大和污染環(huán)境等問(wèn)題，且在結(jié)構(gòu)及性能上都無(wú)法達(dá)到實(shí)驗(yàn)室制造的標(biāo)準(zhǔn)。因此，應(yīng)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)納米纖維素制備新型綠色技術(shù)，實(shí)現(xiàn)納米纖維素的高質(zhì)量大規(guī)模生產(chǎn)。2)探索完善納米纖維素的改性方法。隨著人們的努力探索，納米纖維素的改性方法已經(jīng)不斷成熟，但仍然存在一些問(wèn)題，比如，如何實(shí)現(xiàn)綠色、低成本復(fù)合方法改性獲得高質(zhì)量的納米纖維素，如何在改性過(guò)程中盡可能避免破壞納米纖維素的晶體結(jié)構(gòu)并賦予其新的性能等等。因此，應(yīng)進(jìn)一步探索完善納米纖維素的改性方法，并與制備方法結(jié)合，實(shí)現(xiàn)納米纖維素及生產(chǎn)多功能高附加值材料的環(huán)境友好新工藝。3)構(gòu)建靈活性LIBs儲(chǔ)能系統(tǒng)。隨著時(shí)代進(jìn)步，納米纖維素用于LIBs越來(lái)越廣泛，但仍然需注意一些問(wèn)題。對(duì)于納米纖維素及其衍生物構(gòu)建的電池隔膜和電極，在整個(gè)制造和使用過(guò)程中，應(yīng)保持其機(jī)械強(qiáng)度和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。對(duì)于納米纖維素衍生的炭電極，應(yīng)當(dāng)除去它們之間的氫鍵相互作用，并且納米纖維素的纏結(jié)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)在炭化過(guò)程中被小心地保存，這將確保炭電極具有高柔性的機(jī)械性能。此外，在不犧牲結(jié)構(gòu)完整性和柔性的情況下，通過(guò)與活性材料的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)納米纖維素衍生電極的優(yōu)異導(dǎo)電性和高儲(chǔ)能性。

LIBs作為現(xiàn)代社會(huì)及未來(lái)便攜式電子產(chǎn)品的主要能源，具有儲(chǔ)能效果好、重量輕和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。納米纖維素作為構(gòu)建LIBs的綠色材料，應(yīng)滿足上述要求，同時(shí)與新的材料結(jié)合，用于構(gòu)建模塊來(lái)探索用于LIBs存儲(chǔ)的新材料及新裝置。