当纤维素遇上锂电池，能擦出什么火花？

纤维素是一种来源广泛、绿色友好的天然高分子材料。它是构成植物细胞壁的主要成分，常与半纤维素、木素、树脂等伴生在一起。纤维素是世界上蕴藏量最丰富的天然高分子化合物，主要来源于木材。在我国，由于森林资源不足，纤维素主要来源于非木材的原料，包括棉花、棉短绒、麦草、稻草、芦苇、麻、桑皮、楮皮和甘蔗渣等。

纤维素由重复的β-1，4糖苷键组成的线性链构成，具有独特的三维交联多孔结构和丰富的官能团，通过表面改性可获得许多纤维素衍生物，比如醋酸纤维素、羧甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素等；通过机械力处理或者化学酸、酶处理后可得到结构尺度更小的纤维素纳米纤维、细菌纤维素和纤维素纳米晶体等。

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纤维素由于含量丰富、环境友好、可循环利用、结构独特、易于修饰等特点可以应用于多个领域。在锂电材料领域，纤维素基材料可以用于研发生产锂离子电池电极材料、电池隔膜或作为黏合剂、聚合物电解质等，它既可改善锂离子电池的循环性能和安全稳定性，利于解决商用电池材料可能发生的不可逆结构转变和耐热性不足等问题，又可作为可再生、可降解材料降低生产和环境成本。

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纤维素与锂电负极材料

锂电负极碳材料主要分为石墨和非石墨材料。石墨材料包括天然石墨、人造石墨、中间相炭微球以及焦炭等。非石墨材料包括软碳、硬碳等。纤维素材料作为绿色生物质碳源，可经处理后直接或与其他碳材料复合后应用到锂电池负极中，从而提高负极容量和循环效率等。

有研究者报道了一种由稻壳纤维素经水热碳化和高温煅烧制备的空心纳米球碳用于锂电负极材料。纤维素无序纳米空心互联结构极大地提高了可逆容量和循环性能，不仅可以直接碳化使用，也可与其他各类型碳材料复合从而提高电化学和力学性能。有研究者将从醋酸纤维素静电纺丝得到的纳米纤维在NaOH乙醇溶液中脱乙酰化，再经热解，得到了一种自支撑可再生醋酸纤维素碳纳米纤维膜。在不使用任何黏合剂的情况下，用该碳纤维膜以半电池的形式组装成的负极经循环充放电测试后表现良好，在0.1C倍率下100次循环后的比容量可稳定在290mAh/g。经过研究可以看出，通过静电纺丝法制备自支撑纤维素基碳负极材料可以提高负极材料的比容量和电池性能。

另外，研究表明，纤维素基材料可作为各种金属氧化物及非金属化合物锂电池负极复合基材，提供多孔网络结构作为缓冲基质，减缓电极体积变化，从而获得较好的循环稳定性。这种活性物质与纤维素碳材料复合制备纳米纤维构成电池材料的简单方法或可广泛应用于更多储能材料结构中，有助于推动生物质碳基材料在电池储能领域中的进一步应用。

纤维素与锂电黏合剂

商用锂电黏合剂主要有两种：以聚偏氟乙烯为代表的油溶性黏合剂和羧甲基纤维素（CMC）类水溶性黏合剂。油溶性黏合剂稳定性相对较好，但通常需要溶解在高成本有毒的有机溶剂中，并且使用时还会氧化分解，影响电池寿命。利用纤维素类材料代替聚偏氟乙烯等作为半合成水性黏合剂，或与合成水性聚合物黏合剂复合制备水溶性黏合剂，可降低成本、提高黏合剂性能，同时使电池生产回收过程更加绿色环保。

有研究者报道了一种混合水溶性腐殖质/CMC黏合剂，可用于提高常用正极材料磷酸铁锂的电化学性能，弥补其电子电导率不高的缺点。腐殖质用于连接活性物质、提供导电通路，CMC用于提高黏附力，经过测试，发现电极的循环性能显著高于使用传统黏合剂的正极。

增加石墨负极的厚度可以提高电池的能量密度，但同时会降低锂离子的扩散效率。有研究者将交联聚丙烯酸/CMC水凝胶与丁苯橡胶复合作为黏合剂体系。与传统体系相比，该体系的电极电解质渗透率和粘接强度都提高了2倍以上。在1C循环倍率下，容量保留率从81%提高到91%。

纤维素与锂电隔膜

商业化锂电隔膜大多是以聚烯烃为主的多孔膜材料，种类繁多但耐热性不佳。纤维素基隔膜材料由于其结构带来的优异润湿性和热稳定性，近些年来逐渐被重视，有望成为聚烯烃的替代及复合改性材料。

有研究者制备了新型聚乙烯醇/纤维素纳米纤维-锂离子（PVA/CNF-Li⁺）复合电池隔膜材料，具有优良的孔隙率、离子导电性和电解质润湿性。CNF-Li⁺兼具纳米纤维和离子导电聚合物的优异特性，既可提高隔膜的热稳定性和机械性能，同时也能提升电池的锂离子扩散效率和比容量。

将纤维素与耐热性聚合物材料复合制备电池隔膜，也是提高隔膜耐热性同时使隔膜兼具润湿性和导电性的方法之一。有研究者采用耐热聚苯硫醚纤维和纤维素纤维通过简易造纸工艺制备了一种新型复合隔膜，在原料质量比为1:1时获得了最优性能，孔隙率及电解质吸收率优于商用cel-gard2400隔膜，并且在200℃进行热处理时未发生收缩。纤维内部交织结构和大量氢键提高了隔膜的润湿性和力学性能。

纤维素与锂电电解质

常见的锂电池电解质有液体、固态和凝胶三大类。固态电解质和凝胶电解质的出现和发展都是为了解决液态电解液在使用中出现的安全耐久性问题。

固态电解质可分为无机固体电解质和固体聚合物电解质（SPE）。无机固体电解质的高脆性和固体聚合物电解质的低离子导电性等局限，限制了其实际发展的应用范围，纤维素基材料常被用作模板材料或增强复合材料来解决上述问题。

石榴石型固体锂离子导体如Li₇La₃Zr₂O₁₂（LLZO）是无机固体电解质的典型代表，具有对锂的高稳定性、高离子导电性和抑制锂枝晶的生长和穿透等优点，但存在脆性和质量密度问题。有研究者研究了LLZO在纤维素纤维上的模板化，可通过调整模板材料等条件来控制LLZO的晶体结构和形貌，形成“韧带”，提高性能。此研究也证明了纤维素模板法是实现LLZO固体电解质可伸缩、绿色合成的可行途径之一。

纤维素基电解质的发展降低了能量存储设备的成本，且聚合物电解质可以避免液态电解质可能出现的漏液、腐蚀、锂枝晶不良生长等导致的电池内部短路、热失控等安全性问题，从而提高锂电池工作性能和安全稳定性。此外，提高自支撑性能、离子电导率和锂离子迁移数也是聚合物电解质材料设计改进的方向。有研究者制备了一种内部为纤维素、外层包覆PEO/（Er_0.5Nb_0.5）_0.5Ti_0.95O₂/LiTFSI（PENTL）的夹层结构复合聚合物电解质，其外层含有的无机电解质促进了锂盐的解离，改善了电解质的电化学性能；纤维素内层结构提供高强骨架，抑制了锂枝晶的生长。使用该电解质组装成的锂离子电池具有较高的离子电导率和较宽电化学窗口，且在0.2C经100次循环后容量保持率为97.6%。

凝胶聚合物电解质（GPE）兼具液体电解质和固体聚合物电解质两者的特性，解决了固体聚合物电解质低离子电导率和固-固界面电阻的困扰，同时避免了液体电解质可能出现的安全稳定性问题，但其相对较低的机械强度和较高的成本限制了它的实际应用。

有研究者以烯丙基改性纤维素和甲基纤维素为原料，通过简单的紫外光固化交联，设计了一种柔韧且环保低成本的凝胶聚合物电解质。改性纤维素的加入提高了GPE的热稳定性、机械强度、离子传输能力和导电性能。甲基纤维素提高了对液体电解质的亲和力，改善了界面相容性。极性官能团协同作用增强了锂盐解离固定、提高了锂离子迁移数和离子电导率。相关研究表明，低成本可再生纤维素复合材料应用于可充电锂电池聚合物凝胶电解质具有良好的前景。

此外，有研究者以在室温中溶于离子液体中的纤维素溶液为原料，采用离子溶液溶解-凝固-超临界干燥的路线，开发了一种具有高孔隙率和纳米多孔结构的纤维素气凝胶膜作为锂电池中凝胶聚合物电解质的基质。与商用cel-gard2400隔膜相比，用此纤维素气凝胶膜组装的电池表现出更优异的电化学稳定性和电池性能，且在120℃的高温下也可良好地运行。研究结果证明，多孔纤维素基复合材料可用于制备绿色安全、经济高效的锂离子电池。

小结

纤维素基材料在种类、结构、性能等方面具有多样性，随着多种制备方法和合成工艺的研究和尝试，无论是改性纤维素还是纳米结构纤维素，均已被广泛尝试和运用于制备锂离子电池电极材料、电解质或隔膜中。未来，纤维素基材料或许会为锂电材料的创新发展提供新的着力点。

参考来源：

范业萌等.纤维素及其衍生物材料在锂离子电池中的应用

魏良等.纳米纤维素的制备及其在储能领域的应用

周青云等.基于改性纳米纤维素的电化学储能材料的研究进展

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