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            即將引起全世界關注的納米新材料
            作者: 發布于:2020/7/4 17:59:32 點擊量:

            納米纖維素作為一種新型綠色納米材料,近年來在儲能領域受到了廣泛關注。除了儲量豐富、循環可再生的天然優勢外,納米纖維素還具有精細的納米結構、良好的力學強度和較低的熱膨脹系數等優點。在失水狀態下,納米纖維素可在氫鍵、范德華力或靜電力等非價鍵力作用下自發形成自組裝薄膜,這種新型膜材料具有離子擴散快、耐高溫等性能優勢,在金屬離子電池、超級電容器等儲能器件用隔膜和電極材料領域具有廣闊的應用前景。此外,納米纖維素還可通過凝膠化形成 三維網絡多孔結構,與無機納米子、金屬離子及其氧化物、碳材料、導電高分子等光電材料復合可形成具有導電和儲能效應的多功能復合材料。

            納米纖維素來源( 包括植物、動物和微生物) 廣泛、儲量豐富, 是人類近期難以人工合成的材料之一。根據材料來源、制備方法及纖維形態不同,納米纖 維素可分為纖維素納米晶體(CNC)、纖維素納米纖絲(CNF)、細菌合成納米纖 維(BNC)和靜電紡絲纖維(ECC)4大類。

            納米纖維素在儲能領域中的應用納米纖維素本身具有良好的柔韌性和機械性能,纖維之間彼此交錯連接,易形成便于離子和電子傳輸的多孔結構。纖維表面還附有羥基、羧基等親水性官能團,在電解質溶液中具有良好的保濕能力,在儲能領域應用前景廣闊。目前,國內外研究者對納米纖維素基儲能材料的研究主要集中于納米纖維素基隔膜材料和納米纖維素基電極材料 2 方面。

            納米纖維素儲能應用領域

            1 納米纖維素基隔膜材料隔膜的主要功能是隔離電極正負極材料, 只允許離子在正負極之間快速傳輸, 是儲能器件中關鍵的內層組件之一。隔膜性能的優劣直接影響儲能器件內阻、放電容量、循環使用壽命和電池安全性能的好壞。常用的商業電池隔膜,如聚丙烯 /聚乙烯 /聚丙烯( PP /PE /PP) 復合隔膜等機械性能和熱穩定性能較差,在高電流密度充放電條件下,易被擊穿而造成電池短路現象;此外,其低孔隙結構及在電解液中的潤濕能力不佳嚴重阻礙了儲能器件中離子的快速轉移,難以滿足儲能器件高能量密度和高功率密度的需求。

            2 納米纖維素基電極材料與纖維素微纖維相比,納米纖維素具有更精細的納米結構和較高的比表面積,通過高溫炭化、原位化學聚合和電化學沉積等方式可與電極材料復合,獲得更精細的納米結構和更優異的電化學性能。

            2.1 納米纖維素基碳纖維材料碳纖維材料具有高可逆性和安全性, 是現今應用最廣的儲能器件電極材料。近年來,以糖類、聚合物和纖維素為前驅體制備的碳納米纖維擁有大表面積和多維的網絡結構,用于儲能器件電極材料表現出高度可逆性和良好的循環性能,受到了研究者的廣泛關注。

            2. 2 納米纖維素基二維納米材料二維納米材料是指只在 1 個 維 度 上 具 有 納 米 尺 寸 ( 通常 ≤10 nm) 而在另 2 個維度上具備宏觀尺寸的納米材料,包括石墨烯、氮化硼( BN) 、二硫化鉬( MoS2 ) 和硫化鎢( WS2) 等。由于具有優異的力學性能、高比表面積和高導電率等優點, 二維納米材料在能量存儲與轉化、傳感器及柔性電子器件等領域具有廣闊的應用前景。但由于表面基團少、化學活性低,二維納米材料在溶液中常出現團聚或分散不均等現象,在使用前需添加表面活化劑或對其進行化學氧化反應處理,使其表面具備多種含氧基團以改善其表面活性。

            2.3納米纖維素基導電高分子材料 高分子導電聚 合 物, 如 聚 吡 咯 (PPy) 、聚苯胺(PANI) 和聚噻吩 ( PTh)等,具有高理論電容量、快速氧化還原切換能力和高導電性等優勢,現廣泛用于電池、傳感器、抗靜電保護層和柔性電子器件等領域, 具有極大發展潛力。但由于導電聚合物高分子成型不易控制、電子傳遞效率低、實 際 比 電 容 不 佳, 其 實 際 應 用 受到極大限制。

            2. 4 納米纖維素基多元復合材料為了構建更加精細、有效的納米電極結構,進一步提升納米纖維素基電極材料的電化學性能,常采用炭化、化學原位聚合、電化學沉積、水熱反應和自組裝等方式制備納米纖維素基多元復合材料。

            盡管納米纖維素用于制備新型儲能器件已得到廣泛關注,但納米纖維 素與電極材料之間的復合方式、界面相容性以及微觀形貌調控等基礎理論研究尚處于起步階段,如何最大限度發揮納米纖維素的尺寸和性能優勢,構建具有更加精細的納米結構及高轉化效率的儲能器件是下一步需要攻克的主要難題。因此,納米纖維素未來在儲能領域的研究應圍繞以下幾個方面展開:1) 納米纖維素尺寸及自組裝復合薄膜孔隙結構調控;2) 納米纖維素的多功能修飾, 拓寬其在多種儲能器件電解液中的應用范圍;3) 優化物理混合、化學原位聚合和自組裝等復合工藝,充分發揮納米纖維素的模板優勢,構建尺寸更加精細化的納米電極材料;4) 改善納米纖維素和電極材料的混合均勻性和界面相容性, 進一步提高納米復合材料的力學和電化學性能;5) 充分利用真空冷凍干燥及CO2超臨界干燥手段,提高復合電極材料的比表面積,構建高能量轉換效率的三維儲能材料。通過解決上述問題,相信在不久的將來,納米纖維素必將在儲能領 域得到大規模應用。




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