梁雪虹， 莊偉悅， 勞卓熙， 周子丹

纖維素基凝膠材料在儲(chǔ)能領(lǐng)域的研究進(jìn)展

梁雪虹， 莊偉悅， 勞卓熙， 周子丹*

（廣東藥科大學(xué) 藥學(xué)院，廣東 廣州 510006）

從纖維素的結(jié)構(gòu)入手，綜述了纖維素基凝膠材料特有的層級(jí)結(jié)構(gòu)、雙親性、環(huán)保等特點(diǎn)。重點(diǎn)闡述了纖維素基凝膠材料在電池及超級(jí)電容器領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，分析了兩種用于電池電極的凝膠材料，其中以纖維素為骨架的凝膠材料廉價(jià)、機(jī)械性能佳，碳?xì)饽z材料則在導(dǎo)電性、能量密度等方面表現(xiàn)優(yōu)異?；诶w維素及其衍生物制得的凝膠聚合物電解質(zhì)及粘結(jié)劑具有環(huán)保、粘度增加的特點(diǎn)。而在超級(jí)電容器的電極及電解質(zhì)的使用方面，纖維素基復(fù)合凝膠材料得益于其三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使其有利于離子的傳輸，擴(kuò)散電解質(zhì)離子。未來將重點(diǎn)解決材料應(yīng)用于儲(chǔ)能器件上的相容性問題，從而優(yōu)化儲(chǔ)能器件性能，進(jìn)一步指明纖維素凝膠材料的發(fā)展方向。

纖維素；化學(xué)改性；凝膠材料；結(jié)構(gòu)調(diào)控；儲(chǔ)能

隨著儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，許多柔性儲(chǔ)能器件因技術(shù)的完善與發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生，儲(chǔ)能技術(shù)極高的戰(zhàn)略地位使其成為科研界的熱點(diǎn)，我國(guó)近年來在主流儲(chǔ)能技術(shù)上取得較大突破[1-2]，由于部分儲(chǔ)能器件存在性能不佳、影響環(huán)境等問題，人們迫切需要尋找可持續(xù)的新型綠色儲(chǔ)能材料和器件，纖維素來源廣、年產(chǎn)量大，具有高比強(qiáng)度、水/油雙親性能、生物相容性好等優(yōu)良特性，可摻入其他材料制備纖維素基復(fù)合材料，從而廣泛應(yīng)用于能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的各元件中[3-5]。其分子結(jié)構(gòu)導(dǎo)致它難溶于水和有機(jī)溶劑，使得纖維素在應(yīng)用方面受到制約[6]?？蒲腥藛T利用物理及化學(xué)方法，將纖維素溶解并凝膠化，從而得到纖維素基凝膠材料，通過摻雜雜原子或活性材料與凝膠材料復(fù)合得到性能更優(yōu)的纖維素基復(fù)合凝膠材料[7]。大量研究表明，纖維素基凝膠材料被用于儲(chǔ)能領(lǐng)域的各式器件中，具有優(yōu)異的電化學(xué)性能。

本文從纖維素的分子結(jié)構(gòu)出發(fā)，概括了纖維素基凝膠材料的特點(diǎn)及其應(yīng)用于儲(chǔ)能領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，詳細(xì)綜述了近年來纖維素基凝膠材料在儲(chǔ)能領(lǐng)域的研究進(jìn)展。目前，國(guó)內(nèi)較多學(xué)者著重于綜述水凝膠及其載藥性能、纖維素基碳?xì)饽z材料在電化學(xué)中的應(yīng)用研究，本文則側(cè)重于纖維素基凝膠材料在電池及超級(jí)電容器兩大類儲(chǔ)能器件中的應(yīng)用研究，國(guó)內(nèi)較少此類型的綜述報(bào)道。

1 纖維素結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

由β-D-吡喃葡萄糖組成的纖維素是天然高分子化合物，是由許多D-吡喃葡萄糖酐通過β-1,4糖苷鍵連接而成的，化學(xué)結(jié)構(gòu)式是(C6H10O5)[8]，分子上的每個(gè)葡萄糖基環(huán)在對(duì)應(yīng)的2、3、6位碳原子上都有羥基（如圖1所示），極性羥基能在鏈間和鏈內(nèi)形成氫鍵，分子形成的氫鍵結(jié)構(gòu)使其具有高結(jié)晶度，纖維素的反應(yīng)活性及親水性是由無數(shù)的羥基所決定的，分子鏈長(zhǎng)度、結(jié)晶度會(huì)影響纖維素的性質(zhì)[9-10]。溶劑與纖維素分子接觸困難，使其性質(zhì)穩(wěn)定，纖維素分子大，與水分子間存在范德華力，阻礙了水分子的靠近。所以纖維素應(yīng)用的關(guān)鍵在于解結(jié)晶，破壞其氫鍵結(jié)構(gòu)。通過物化手段，纖維素分子交聯(lián)后形成三維網(wǎng)狀的凝膠分子結(jié)構(gòu)，纖維素凝膠材料在微觀上呈多孔結(jié)構(gòu)，該材料在儲(chǔ)能材料上的廣闊應(yīng)用得益于其大量的孔隙。

圖1 纖維素分子鏈重復(fù)單元分子結(jié)構(gòu)圖[11]

2 纖維素基凝膠材料在儲(chǔ)能方面的優(yōu)勢(shì)

由于不可再生資源緊缺，材料的可持續(xù)性成為了研究者選擇材料時(shí)的重要考慮因素，科研人員積極響應(yīng)國(guó)家提出的可持續(xù)發(fā)展、綠色低碳理念，在材料選擇、儲(chǔ)能系統(tǒng)安全性和投資回報(bào)率等問題之間尋求方案。纖維素分子結(jié)構(gòu)中的羥基可作為引入功能基團(tuán)的起點(diǎn)，與活性物質(zhì)一起共同制得復(fù)合電極，且大量存在的羥基使其具有良好的潤(rùn)濕性、熱穩(wěn)定性[12]。龐大的氫鍵結(jié)構(gòu)使纖維素具有多層級(jí)的構(gòu)型，賦予其組裝能力、機(jī)械強(qiáng)度、柔韌性、強(qiáng)吸附性，為其他材料在纖維素表面的組裝提供支撐的模板。為了突破纖維素應(yīng)用上的局限性，常常把纖維素衍生物作為基體或?qū)ζ溥M(jìn)行化學(xué)改性后，再與其他物質(zhì)混合制得凝膠聚合物電解質(zhì)（GPEs），改性過程中，基團(tuán)的引入與替代不僅能增加材料的機(jī)械強(qiáng)度，還能降低材料的結(jié)晶度[13]?？紫洞蟆⒌涂紫堵实膯栴}會(huì)影響儲(chǔ)能元件的性能，因此選擇高孔隙率的材料變得極為重要。1931年 Kistler S[14]制備出氣凝膠，隨后科研者們通過簡(jiǎn)便的方法制得纖維素基氣凝膠材料（如圖2所示）[15-18]，該材料既有高孔隙率、低熱導(dǎo)率等氣凝膠的特點(diǎn)，又有可再生、可延展等纖維素材料的優(yōu)異性能，其高孔隙率使電解質(zhì)具有強(qiáng)吸附作用，可提高物質(zhì)的利用率。由纖維素納米纖維（CNF）衍生得到的碳?xì)饽z應(yīng)用范圍極廣，碳化過程可增加納米纖維素的導(dǎo)電性，而含碳多孔材料特有的高導(dǎo)電率、低密度使其被認(rèn)為是儲(chǔ)能領(lǐng)域的優(yōu)良材料[19]，碳化后的材料有足夠的孔隙及比表面積，利于電子的快速傳輸及電荷傳遞反應(yīng)。因此纖維素基碳?xì)饽z材料被廣泛用于超級(jí)電容器（SCs）、鋰離子電池（LIBs）等儲(chǔ)能器件上，歐洲及美日等發(fā)達(dá)國(guó)家在SCs和LIBs方面的研究處于世界領(lǐng)先位置，中國(guó)近年來也加大研發(fā)力度，在部分主流技術(shù)上發(fā)展迅猛。

圖2 纖維素基氣凝膠材料的制備流程[15-18]

3 纖維素凝膠材料在儲(chǔ)能器件中的應(yīng)用

纖維素基凝膠材料根據(jù)溶脹劑的不同，主要分為水凝膠和氣凝膠兩大類，纖維素基水凝膠具有良好的機(jī)械性能和柔韌性，水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的水相能使載體的離子快速擴(kuò)散，將纖維素引入水凝膠中能為滲透和儲(chǔ)存水性電解質(zhì)離子提供高孔隙率；纖維素基氣凝膠具有高孔隙率和高比表面積的特點(diǎn)，其多孔結(jié)構(gòu)為電解質(zhì)離子的傳輸提供了通道，這些特性使纖維素基凝膠材料成為制備儲(chǔ)能器件的理想材料。

3.1 電池

電池具備響應(yīng)速度快、模塊化、極佳的商業(yè)潛力等特點(diǎn)，隨著技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，電池的效率、能量密度等性能不斷提高，近年來LIBs在電動(dòng)汽車、電子設(shè)備等儲(chǔ)能器件上應(yīng)用廣泛，但存在原材料價(jià)格高昂、電池壽命短、安全隱患等問題[20]。低成本的纖維素基凝膠材料用作電池的基材時(shí)不僅取材方便、安全性能高，且凝膠內(nèi)部交聯(lián)的結(jié)構(gòu)使其具備良好的機(jī)械強(qiáng)度，性能優(yōu)異。

3.1.1 工作電極

3.1.1.1 纖維素骨架復(fù)合凝膠電極材料

由于纖維素的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)賦予它許多優(yōu)良特性，因此，它被認(rèn)為是理想的模板材料，許多客體材料可通過物理或化學(xué)作用組裝在纖維素上，進(jìn)一步制備出將纖維素的優(yōu)點(diǎn)與客體材料特殊性能結(jié)合起來的復(fù)合材料[21]，與天然纖維素相比，納米纖維素可以和石墨烯、導(dǎo)電碳材料、金屬顆粒結(jié)合得到復(fù)合材料，并且具有更優(yōu)的機(jī)械強(qiáng)度及更薄的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是最具有前途的電極材料之一[22]。葛溢等[23]將CNF作為骨架，與石墨烯納米片混合得到CNF/GNP復(fù)合氣凝膠，并摻入聚吡咯復(fù)合氣凝膠到纖維骨架中得到復(fù)合氣凝膠，用作水系鋅離子的電池正極，該材料內(nèi)阻小、功率密度大。Ma等[24]設(shè)計(jì)出以聚苯胺-纖維素為骨架的電極，與纖維素基凝膠電解質(zhì)結(jié)合形成能量密度極為優(yōu)異的水系鋅離子電池，而且經(jīng)過上千次彎曲后，電池的損失極低。

3.1.1.2 碳材料

碳材料高孔隙結(jié)構(gòu)、高比表面積的特點(diǎn)讓研究人員越發(fā)傾向于選它作為原料，此外，廉價(jià)、鋰離子嵌入電勢(shì)低等特性也使其成為L(zhǎng)IBs理想的電極材料，纖維素基氣凝膠經(jīng)熱解、碳化后得到的纖維素衍生碳?xì)饽z性能優(yōu)異，摻入氧化石墨烯和碳納米管材料后，可顯著提高碳材料的機(jī)械性能[25-26]。許多作為導(dǎo)電物質(zhì)的碳基材料，因?yàn)榭商岣哧帢O材料的導(dǎo)電性而受青睞，例如，纖維素與水中的氧化石墨烯間相互作用很強(qiáng)，加速形成凝膠的過程，從而制得導(dǎo)電性優(yōu)良的碳材料[27]。Mao等[28]基于纖維素和石墨烯的氧化物設(shè)計(jì)出3D碳?xì)饽z（CCA）自立式電極，可以提高硫的利用率、保持高能量密度，電解質(zhì)吸收能力強(qiáng)，CCA優(yōu)點(diǎn)多、潛力大，有望作Li-S電池的陰極材料。但是這些碳基材料作電極時(shí)粉末易脫離，并且陰極的能量密度會(huì)下降，因此Hou等[29]等將細(xì)菌纖維素水凝膠冷凍干燥，在N2包圍下碳化，用硫化鎳作為催化劑，均勻分布在CaCO3上，成功制得的硫化鎳/碳?xì)饽z復(fù)合材料成本低、有優(yōu)良的導(dǎo)電性和柔韌性，作為直接甲醇燃料電池的陽極材料時(shí)，對(duì)甲醇具有良好的催化活性。Liu等[30]等通過離子交聯(lián)及碳化處理制備了含大量納米孔的四氧化三鐵/碳納米纖維氣凝膠，F(xiàn)e3O4納米粒子負(fù)載在碳納米纖維上加快了Li+的傳遞與儲(chǔ)存，有效控制了Fe3O4在嵌入鋰離子過程中體積膨脹的問題，材料用于鋰電池時(shí)，展示出驚人的高倍率性能。盡管如此，石墨烯材料用作電極時(shí)，在穩(wěn)定性、能量密度等諸多方面仍然優(yōu)于Fe3O4。

3.1.2 電解液

近年來，與國(guó)內(nèi)外研究較多的PEO、PVDF、PMMA等作為基體的GPEs體系相比，纖維素及其衍生物因不導(dǎo)電性、環(huán)保易得、其活性官能團(tuán)能與陰離子形成氫鍵等特點(diǎn)，成為用于電池電解質(zhì)的熱門原料。以纖維素為基體制得的GPEs，相較于液體電解質(zhì)，具有不易漏液或爆炸的高安全性，與固態(tài)聚合物電解質(zhì)相比擁有更高的離子傳導(dǎo)率以及更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)[31]。Hu等[32]以天然纖維素作為骨架，制得新型的剛性-柔性GPEs，不僅在室溫下具備優(yōu)異的導(dǎo)電率，溫度升高后，錳酸鋰電池仍保持良好的循環(huán)能力。Song等[33]將木質(zhì)纖維素（LC）作為GPE的基質(zhì)用于鋰硫電池中，制作所得的GPEs不僅阻止了電池中的穿梭效應(yīng)的發(fā)生，還因多硫化物與LC之間形成氫鍵從而具有優(yōu)異的綜合性能。Du等[34]用簡(jiǎn)單的溶液澆鑄法使纖維素與環(huán)氧氯丙烷（ECH）交聯(lián)（如圖3所示），制備出具有優(yōu)異的Li+遷移數(shù)及耐高溫的GPEs，將處理后的纖維素溶液高溫后冷卻，最終測(cè)得電解質(zhì)的離子導(dǎo)電率高達(dá)6.34×10-3S/cm。

圖3 纖維素與ECH的交聯(lián)過程示意圖[34]

由改性纖維素或纖維素衍生得到的物質(zhì)，其結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，但卻是制備性能更優(yōu)良、功能更多樣的GPEs的良好材料。雖然處理得到衍生物的過程中會(huì)消耗能量，但纖維素衍生物對(duì)液體電解質(zhì)具有親和力，易于制備出GPEs[35]。Zuo等[36]將制得的乙基纖維素（EC）/聚偏氟乙烯共混聚合物浸泡在液體電解質(zhì)中得到的GPEs，引入EC能有效地提高電化學(xué)氧化穩(wěn)定性，其中電導(dǎo)率高于室溫下常見的PVDF電解質(zhì)以及纖維素電解質(zhì)，可達(dá)到1.33 mS/cm。此外，有研究者發(fā)現(xiàn)某些納米顆粒在纖維素凝膠電解質(zhì)體系中能夠有效提高電解質(zhì)性能。Chotsuwan等[37]將氣態(tài)的二氧化硅納米顆粒加入到以醋酸纖維素/LiClO4為基體的凝膠電解質(zhì)中，顆粒與醋酸纖維素形成氫鍵互連成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，與普通液體電解質(zhì)相比，粘度大幅提高且導(dǎo)電率不變，優(yōu)化了凝膠電解質(zhì)的性能。Luo等[38]把羥丙基甲基纖維素（HPMC）聚合物作為添加劑，對(duì)木質(zhì)纖維素基凝膠進(jìn)行改性，利用HPMC的溶脹效應(yīng)，破壞了該凝膠的晶體結(jié)構(gòu)，并在凝膠膜中產(chǎn)生了一定的自由空間，與Song[33]的實(shí)驗(yàn)相比，在保持Li+轉(zhuǎn)移數(shù)的前提下導(dǎo)電率有了顯著的提升，與此同時(shí)，研究者發(fā)現(xiàn)添加HPMC后的凝膠體系還能調(diào)節(jié)鋰的沉積，為陽極提供長(zhǎng)久的保護(hù)。

3.1.3 粘結(jié)劑

粘結(jié)劑在儲(chǔ)能材料中具有維持穩(wěn)定電極結(jié)構(gòu)的作用，良好的粘結(jié)劑不僅保證了復(fù)合電極的電力網(wǎng)中各元件之間的完整性，其極性基團(tuán)還可以提供高強(qiáng)度的力學(xué)性能及粘附性，使電極的活性物質(zhì)對(duì)集電器具有高附著力，而且還具有穩(wěn)定的電化學(xué)性能。粘結(jié)劑的結(jié)構(gòu)直接決定了電極的使用壽命及其電化學(xué)性能，纖維素基凝膠復(fù)合材料因低成本、孔隙率高，硬度高的特點(diǎn)，是制備粘結(jié)劑的優(yōu)良材料之一[39]。Mazouzi D等[40]研究發(fā)現(xiàn)氧化態(tài)的銅離子通過物理交聯(lián)，與帶有羧酸基團(tuán)的水性粘結(jié)劑形成銅羧酸配位鍵，可以顯著提高粘結(jié)劑的吸附力，增強(qiáng)復(fù)合電極的機(jī)械強(qiáng)度和自愈性。Zhang等[41]通過硼酸鈉交聯(lián)羧甲基纖維素鈉合成一種適用于鋰離子電池硅陽極的水混合凝膠粘合劑，在交聯(lián)結(jié)構(gòu)和硅化學(xué)結(jié)合的情況下能有效地緩沖硅陽極體積的衰減變化，從而延長(zhǎng)了電池的壽命。杜智等[42]將甲基纖維素溶液與ECH交聯(lián)成粘結(jié)劑，途中與活性物質(zhì)LiFePO4、導(dǎo)電劑KB碳混合研磨成漿，涂抹在集流體上并烘干，結(jié)果顯示，ECH的含量越多，得到的粘結(jié)劑越不易變形，LiFePO4/交聯(lián)甲基纖維素復(fù)合電極在機(jī)械穩(wěn)定性、循環(huán)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性方面表現(xiàn)出色。在電化學(xué)循環(huán)過程中，電極材料因反應(yīng)而導(dǎo)致體積膨脹，從而產(chǎn)生作用力，與其它自修復(fù)型和導(dǎo)電型的粘結(jié)劑相比，纖維素凝膠材料制成的粘結(jié)劑因其3D網(wǎng)格結(jié)構(gòu)而具備穩(wěn)定性，在低成本、安全環(huán)保的儲(chǔ)能材料中有一定發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3.2 超級(jí)電容器

超級(jí)電容器（SCs）在能量密度、壽命、安全性等方面表現(xiàn)良好，被認(rèn)為是很有前途的儲(chǔ)能系統(tǒng)，但SCs的性能會(huì)隨著溫度、壓力的條件而變，SCs性能惡化主要受電極及電解質(zhì)的影響，因此尋求適合的材料來制備電極與電解質(zhì)成為關(guān)鍵，纖維素基凝膠材料因含碳、多孔等性能而應(yīng)用于SCs方面成為了活躍的研究領(lǐng)域。

3.2.1 工作電極

SCs中的雙電層電容（EDLC）、偽電容對(duì)電極的能量?jī)?chǔ)存有巨大貢獻(xiàn)，含有高比表面積的碳基活性材料（石墨烯片、納米多孔金屬、活性炭）的雙電層電容，可以提供更高的EDL電容；而聚苯胺、聚吡咯（PPy）等導(dǎo)電聚合物屬于偽電容的活性材料范疇，有時(shí)碳材料在氧化或還原后可以表現(xiàn)出贗電容，如還原的氧化石墨烯（RGO）[43]。Yang等[44]制備的纖維素納米纖維（TOCN）/還原氧化石墨烯（RGO）碳?xì)饽z是以TOCN和氧化石墨烯（GO）作前體經(jīng)碳化后制得，材料具有更高的導(dǎo)電性，一萬次循環(huán)后，得到了99.8%的電容保持率，這是因?yàn)槭褂眉{米纖維素可以有效地避免石墨烯的團(tuán)聚。該材料的電容遠(yuǎn)高于大多數(shù)的纖維素基超級(jí)電容器，具有優(yōu)異的電化學(xué)性能、可擴(kuò)展性和成熟的工藝，是一種很有前途的超級(jí)電容器材料。徐曼曼等[45]無需溶解纖維素，通過自組裝的方法得到纖維素纖維/石墨烯復(fù)合氣凝膠，利用氧化石墨烯在還原過程中的結(jié)構(gòu)重建，與纖維素纖維協(xié)同組裝，得到內(nèi)阻僅0.004 4 Ω的SCs。PPy的能量密度較高，與碳納米材料結(jié)合有利于提高循環(huán)穩(wěn)定性。Zhang等[46]將PPy原位生長(zhǎng)到竹纖維素衍生的碳?xì)饽z上，制得以碳?xì)饽z為骨架負(fù)載聚吡咯形成的三維復(fù)合材料，材料內(nèi)部導(dǎo)電的三維碳骨架有利于快速地傳輸電子、擴(kuò)散電解質(zhì)離子，且有互連的多孔通道。無粘結(jié)劑電極近年受到研究人員的青睞，材料需達(dá)到互連多孔、導(dǎo)電性、機(jī)械強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)才能在無粘結(jié)劑情況下進(jìn)行離子傳輸[47]，Li等[48]在溴化鋰溶液中得到了纖維素/氧化石墨烯水凝膠材料，并將聚苯胺納米簇包覆在上面得到復(fù)合氣凝膠，該材料由于柔韌性、導(dǎo)電性高，在變形條件下電容仍保持恒定，不需要粘合劑就可用作電極，與傳統(tǒng)材料相比，該材料應(yīng)用的器件在不同的彎曲變形下能保持幾乎恒定的電容，且在特定的功率密度下，其能量密度優(yōu)異，優(yōu)于先前報(bào)道的氣凝膠為基礎(chǔ)的柔性超級(jí)電容器。大多實(shí)驗(yàn)中的電極材料都用纖維素基碳?xì)饽z制得，鮮少有將水凝膠用于柔性SCs的電極中，而Zhang等[49]制得內(nèi)部為中空PPy導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)相而外部為纖維素水凝膠相的材料，雜化水凝膠既給PPy網(wǎng)絡(luò)提供機(jī)械強(qiáng)度又能促進(jìn)電解質(zhì)離子進(jìn)入內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，特殊的結(jié)構(gòu)使其在嚴(yán)重彎曲的情況下，電容幾乎沒衰減。

3.2.2 電解質(zhì)

電解質(zhì)在雙電層電容的形成過程中也是必不可少的存在，它能提供離子導(dǎo)電性并促進(jìn)電極間的電子轉(zhuǎn)移[50]，Qiu等[51]開發(fā)出了基于LC的GPE，以LC為原料是因其吸水能力強(qiáng)易成水凝膠，LC-GPEs可用作電解液和分離器。Lu等[52]以羥丙基纖維素（HPC）/PVA水凝膠為基礎(chǔ)，用LiClO4水/甘油混合溶液置換水凝膠中的水分子，制備出了具有抗凍性和優(yōu)異的離子導(dǎo)電性的有機(jī)水凝膠電解質(zhì)。HPC摻入PVA中顯著提高了電解質(zhì)的機(jī)械強(qiáng)度，當(dāng)溫度降到－40℃，SCs可以提供143.6 F/g的比電容，庫(kù)倫效率極高，接近100%，研究表明柔性SCs即使在極端冷空氣下也能發(fā)揮用途。Zhu等[53]將再生纖維素納米顆粒（RCN）加到電解質(zhì)材料后，通過簡(jiǎn)單方法合成離子凝膠電解質(zhì)，RCN材料的利用使離子傳輸更穩(wěn)定，大幅度降低了電荷轉(zhuǎn)移阻力，且SCs充放電效率提高了30%。

4 展望

本文總結(jié)了近年來纖維素基凝膠材料在儲(chǔ)能領(lǐng)域的研究進(jìn)展，由于其高孔隙率、良好力學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn)，用于儲(chǔ)能元件時(shí)，使器件的性能更穩(wěn)定、使用壽命更長(zhǎng)，盡管如此，仍有問題亟需改進(jìn)，如確保GPEs在Li+遷移數(shù)較高時(shí)不犧牲離子導(dǎo)電性，以及如何改善粘結(jié)劑的與電極的相容性差的問題。由此，未來的纖維素基凝膠材料的研發(fā)，應(yīng)重點(diǎn)優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)與儲(chǔ)能器件性能，進(jìn)而開發(fā)出生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、可產(chǎn)業(yè)化的纖維素基凝膠材料應(yīng)用于儲(chǔ)能器件。隨著科技的發(fā)展，纖維素基凝膠材料將會(huì)在此領(lǐng)域有著更廣泛和更有效的應(yīng)用。

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Research Progress of Cellulose-based Gel Materials in the Field of Energy Storage

LIANG Xue-hong, ZHUANG Wei-yue, LAO Zhuo-xi, ZHOU Zi-dan*

（School of Pharmacy, Guangdong Pharmaceutical University, Guangzhou 510006, China）

Starting from the structure of cellulose, the unique hierarchical structure, amphiphilic property, and environmental protection characteristics of cellulose-based gel materials are reviewed. It focuses on the current research status of cellulose-based gel materials in the field of batteries and supercapacitors, and analyzes two gel materials used in battery electrodes. Cellulose-based gel materials are low-cost with good mechanical properties, while carbon aerogel materials excel in conductivity, energy density, etc. Gel polymer electrolytes and binders based on cellulose and theirs derivatives have the characteristics of environmental protection and increased viscosity. Used as electrodes and electrolytes in supercapacitors, cellulose-based composite gel materials benefit from their three-dimensional mesh structure, which facilitates the transmission of ions and diffusion of electrolyte ions. In the future, the compatibility of materials used in energy storage devices will be solved, and then to optimize the performance of energy storage devices, in which is the development direction of cellulose gel materials.

cellulose; chemical modification; gel material; structure control; energy storage

O636.1

A

1004-8405(2021)03-0062-08

10.16561/j.cnki.xws.2021.03.02

2021-04-06

2021年廣州市基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究專題(博士青年類2060206)，國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)業(yè)實(shí)踐項(xiàng)目（202010573018）；聚合物復(fù)合材料及功能材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中山大學(xué)）開放基金（PCFM-2020-04）；廣東藥科大學(xué)藥學(xué)院青年教師培育基金。

梁雪虹（1999～），女，本科；研究方向：纖維素基凝膠材料。1343259879@qq.com

通訊作者：周子丹（1986～），男，博士，講師；研究方向：天然高分子材料。zhouzd@gdpu.edu.cn