综述：基于纤维素的材料的化学与设计原理：迈向环保型柔性超级电容器

《Advanced Powder Materials》：The Chemistry and Design Principles of Cellulose-based Materials Toward Eco-friendly Flexible Supercapacitors

柔性超级电容器的纤维素基材料研究进展，综述了纤维素及其衍生物的化学属性、结构-性能关系，以及在电极、电解质、隔膜等组件中的应用。通过氧化、酯化、接枝共聚等化学改性提升性能，结合3D打印、激光蚀刻等制造技术优化结构。当前挑战包括能量密度低（35 Wh kg?1）、温度适应性差，未来需通过材料设计、制造工艺创新及全降解器件开发实现突破。

　　随着科技的快速发展，可穿戴和便携式电子设备的普及使得对柔性超级电容器（FSCs）的需求日益增长。然而，尽管FSCs具有高功率密度、快速充放电能力和较长的使用寿命等优势，其在实际应用中仍面临能量密度低、环境适应性差和安全性不足等问题。本文系统地探讨了基于纤维素的材料（CBMs）在柔性超级电容器中的关键作用，从化学性质、结构特性到材料设计和应用潜力，全面解析了CBMs在推动FSCs技术进步中的重要地位。文章不仅总结了CBMs在电极、电解质、隔膜、粘合剂、电流收集器和封装材料等关键部件中的功能，还提供了针对未来发展的设计原则和技术创新方向。

纤维素作为地球上最丰富的可再生聚合物之一，其分子链中含有大量羟基（-OH），这赋予了它良好的化学可修饰性和物理性能。通过氧化、酯化、醚化、接枝聚合、亲核取代和交联反应等化学手段，可以有效地改变纤维素的表面特性，从而提高其在超级电容器中的应用性能。这些化学改性不仅能够改善纤维素的机械强度、电导率和离子传输能力，还能够增强其在极端环境下的稳定性，如低温或高温条件下的使用。纤维素纳米纤维（CNF）、纤维素纳米晶（CNC）和细菌纤维素（BC）等纳米纤维素材料因其独特的结构和性能，成为构建高性能柔性超级电容器的重要组成部分。

在电极材料方面，纤维素与碳材料（如石墨烯、碳纳米管和活性炭）的复合材料展现了卓越的性能。这些材料通过自我组装和化学改性，可以形成具有优异机械性能和电化学特性的复合电极。例如，通过将纤维素纳米纤维与氧化石墨烯和聚吡咯结合，可以制备出具有高比电容和良好机械性能的复合纤维电极。此外，纤维素与金属氧化物/硫化物的结合也为超级电容器提供了新的可能性。这类材料在柔性电极中的应用，不仅提高了电化学性能，还增强了材料的结构稳定性。通过引入纤维素，可以有效暴露更多的活性表面积，从而显著提升电容器的性能。

在电解质方面，纤维素基的凝胶聚合物电解质（GPE）因其优异的离子导电性和机械性能，成为当前研究的热点。GPE能够有效结合液态电解质的优点，同时避免全固态电解质的界面问题。纤维素的高热稳定性和化学稳定性使其成为构建GPE的理想材料。通过引入带负电荷的磺酸基团或羧酸基团，可以促进质子迁移，提高离子导电性。此外，纤维素基电解质在极端温度下的性能表现也得到了广泛关注，特别是在低温环境下，其离子传输能力的保持对超级电容器的长期稳定运行至关重要。

隔膜作为超级电容器的重要组成部分，其功能在于防止电极之间的直接接触，从而避免内部短路。纤维素基隔膜因其良好的孔隙率、亲水性和机械性能，成为传统隔膜材料的替代品。例如，通过改变纤维素溶液的浓度，可以调控隔膜的拉伸强度、孔隙率和电解质吸收能力。这种调控能力使得纤维素基隔膜在高性能超级电容器中具有重要应用价值。此外，通过引入其他材料，如硼氮复合物（BN）纳米纤维，可以进一步增强隔膜的离子传输性能和机械强度，从而提高超级电容器的整体性能。

在粘合剂和电流收集器方面，纤维素基材料同样表现出色。纤维素因其良好的可加工性和生物降解性，成为替代传统合成聚合物粘合剂的理想选择。例如，通过使用纤维素纳米纤维作为粘合剂，可以有效提高电极的粘附力和机械强度，同时降低等效串联电阻，提高电容器的性能。此外，纤维素基电流收集器因其高导电性和良好的机械性能，为柔性超级电容器的制造提供了新的思路。

纤维素基材料在柔性超级电容器中的应用还涉及封装材料。传统的封装材料如硅胶和铝塑膜虽然性能优异，但其成本较高且存在环境污染问题。相比之下，纤维素基封装材料因其环保性和良好的机械性能，成为一种有前景的替代品。通过引入纳米纤维素，可以构建具有高离子导电性和良好机械强度的封装材料，从而提高超级电容器的安全性和使用寿命。

在制造工艺方面，纤维素基柔性超级电容器的制备方法多种多样，包括湿纺、微流控纺丝、喷墨打印、丝网印刷、3D打印和激光刻蚀等。每种方法都有其独特的优势和局限性。例如，湿纺技术可以制备高强度的纤维电极，但其生产效率较低；而喷墨打印技术则能够实现高精度的图案化电极制造，但对墨水配方有较高要求。通过结合不同的制造技术，可以进一步优化纤维素基超级电容器的性能和制造成本。

本文还展望了未来纤维素基柔性超级电容器的发展方向。首先，需要开发新型的纤维素纳米材料合成方法，以提高纤维素的可溶性和环保性。其次，应针对不同应用场景，设计具有特定性能的纤维素材料，如高导电性、高机械强度和良好的离子传输能力。此外，还需要深入理解纤维素基超级电容器的内部机制，通过先进的原位表征技术和理论计算，揭示其在电化学反应中的行为。最后，推动全纤维素基超级电容器的发展，使其成为完全可生物降解的储能设备，从而实现可持续发展的目标。

总之，纤维素基材料在柔性超级电容器中的应用具有广阔的前景。通过化学改性、结构调控和先进制造技术的结合，可以有效提升其在电极、电解质、隔膜等关键部件中的性能。未来的研究应注重材料的多功能性、环境友好性和可持续性，以推动纤维素基柔性超级电容器在可穿戴设备、智能纺织品和便携式电子设备中的广泛应用。这不仅有助于解决当前超级电容器在能量密度和环境适应性方面的不足，也为实现绿色、高效的储能技术提供了新的思路。