英文原题：Application of nanocellulose in solar Photo/thermal energy conversion and electrochemical energy storage devices

作者：Chao Wang*, Longhang Zhu, Xiangyu Wang, Tamer Mahmoud Tamer, Ruotong Yao, Md Mostafizur Rahman, Lijiaqi Zhang, Min Wu*

01 论文信息

论文信息

Wang C, Zhu L, Wang X, et al. Application of Nanocellulose in Solar Photo/Thermal Energy Conversion and Electrochemical Energy Storage Devices[J]. Green Carbon, 2025.

论文网址

https://doi.org/10.1016/j.greenca.2025.02.001

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Application of nanocellulose in solar photo/thermal energy conversion and electrochemical energy storage devices

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Green Carbon文章 | 中国科学院理化技术研究所吴敏研究员、王超高级工程师：纳米纤维素助力能源转换与存储

02 背景简介

太阳能作为一种绿色、零成本且可持续的能源，具有显著的环境友好性和经济性，被广泛应用于发电领域。太阳能电池凭借其可持续性、成本效益、适应性和便携性等优势，成为将太阳能转化为电能的重要工具。此外，将太阳辐射转化为热能也是太阳能利用的关键途径之一。光热材料能够在阳光照射下产生热能，尤其在太阳能驱动的海水淡化蒸发过程中表现出色，为缓解全球水资源短缺提供了一种可持续的解决方案。光热材料与相变材料（PCM）的结合，能够将热能以潜热形式储存，应用于热管理系统。不过，太阳能、风能和海洋能等可再生能源受气象和地理条件的影响，表现出不稳定性与间歇性，这对能源系统的稳定运行构成了重大挑战。

锂离子电池（LIBs）作为一种重要的电化学储能装置，凭借其高能量密度、优异的循环性能和较长的使用寿命，在近几十年取得了显著的发展，有效弥补了可再生能源的不稳定性因素。

中国科学院理化技术研究所吴敏研究员、王超高级工程师于Green Carbon发表题为“Application of Nanocellulose in Solar Photo/Thermal Energy Conversion and Electrochemical Energy Storage Devices”综述文章，系统介绍了纳米纤维素（CNFs）及其衍生物在光伏（PV）器件、光热器件和电化学储能系统中的应用研究。纳米纤维素凭借其独特性能，在太阳能光热转换和电化学储能领域展现出广阔的应用前景，为解决可再生能源的间歇性和储能问题提供了新的思路和方法，有望推动可持续能源技术的进一步发展。

03 文章简介

CNFs可以作为交联剂，通过乳剂将PCMs包封在微球内。仿珍珠层结构是实现PCM无泄漏封装的方式之一，该结构通常使用2D MXene作为框架的“砖”，1D CNFs作为“砂浆”，从而改善摩擦时的能量耗散。通过将PEG包裹在由1D CNFs和2D MXene组成的强大网络中制备多功能相变膜，该膜具有更好的相变行为，其绝对结晶分数（F）约为94%（图1）。由于纤维素、MXene和PEG分子之间的物理相互作用比化学接触更强，PEG分子链可以在层流结构中自由拉伸和结晶，导热组分的浓度是影响无孔致密片导热性的重要因素。薄膜的温度在45 °C下能保持20-30秒，在35 °C下能保持80-100秒。该薄膜的太阳能热转换效率为85.6%-90.6%，在可穿戴设备热管理方面具有广阔的应用前景。

图1. CNFs在光热材料方面的应用

CNFs是一种很有前途的聚合物电解质，但由于缺乏对其取向（高结晶度）和离子转移通道的设计，其潜力尚未得到充分开发。Yang等人制造了一种铜配位纤维素，通过将含CNF的纸浸泡在Cu²⁺碱性溶液中，进行DMF处理，并与LiPF₆有机电解质交换形成Li- Cu -CNF固态电解质。Cu²⁺与CNFs的结合增加了聚合物链之间的空间(1.97 Å)，该电解质Li⁺电导率为1.5 × 10⁻³ S cm⁻¹，离子迁移数为0.78（图2）。CNFs也被用作聚合物基电解质的填料和支撑基质。Wang等人提出了一种制备高性能凝胶电解质的方法，该方法将液态PEG注入具有高孔隙率的CNFs动态网络中。通过在不同浓度的盐溶液中膨胀CNFs网络来调节CNF网络的孔隙度和纤维取向以及CNFs/PEG电解质的离子电导率。在盐浓度为10 mM时，CNFs/PEG电解质的厚度为50 ± 3 µm。 仅含0.9 wt%的CNFs的电解质室温离子电导率可达0.61 ± 0.12 mS cm⁻¹。此外该聚合物电解质还显示出有效的阻燃性能。

图2. 纳米纤维素在锂离子电池固态电解质、凝胶电解质的应用

钠离子电池（NIBs）利用钠作为活性物质，相较于锂离子电池，在安全性、循环稳定性和环境可持续性方面具有显著优势。然而，钠的理论比容量为1165 mAh g⁻¹，低于锂的3829 mAh g⁻¹，这导致其比能量密度较低，仅为90–120 Wh kg⁻¹，从而限制了钠离子电池在大规模固定式应用中的发展。Mittal等利用CNFs和CNCs合成了高孔隙率凝胶聚合物隔膜，液体电解质吸收率为2985%，离子电导率为2.32 mS cm⁻¹，钠离子转移数为0.637（图3）。介孔分层纤维素结构确保了与金属钠的最佳接触，允许在高达± 500 μA cm⁻²的电流密度下稳定镀和剥离；锂硫电池（LSBs）因其潜在的高能量密度而受到全球研究人员的广泛关注。基于多电子转换机制的活性硫材料具有2600 Wh kg⁻¹的理论比容量，远超锂离子电池的350 Wh kg⁻¹。然而，锂硫电池的发展受到诸多关键挑战的严重阻碍，包括多硫化物穿梭效应以及锂的不可逆剥离/沉积。在锂硫电池中，纤维素基隔膜可作为储存多余电解液的“仓库”。这一特性有助于溶解中间产物—多硫化锂（Li₂Sₓ，4 ≤ x ≤ 8），从而延长电池的循环寿命，因为电解液在新鲜锂表面的钝化过程中会持续消耗。此外，适当改性可以有效防止或完全抑制多硫化物的穿梭效应。Li等人通过真空过滤异丙醇/水悬浮液制备了一种自支撑的CNFs隔膜。通过改变异丙醇的比例，可以优化膜的孔结构，从而实现更优的电化学性能。CNFs表面丰富的含氧官能团有助于固定多硫化物，并通过调节锂金属表面固体电解质界面（SEI）的形貌来减少锂枝晶的形成。这种隔膜具有19 µm的超薄厚度、0.87 mg cm⁻²的轻质重量、98.05%的超高孔隙率以及良好的电解液亲和性。使用CNFs隔膜的锂硫电池在第100次循环时的放电容量为589 mAh g⁻¹，是聚丙烯（PP）隔膜（459 mAh g⁻¹）的1.3倍。

图3. CNFs在其他电池隔膜上的应用

CNFs因其独特的物理化学特性，在超级电容器领域展现出广阔的应用前景。它不仅可以作为分散活性材料（如碳材料、碳纳米管、氧化石墨烯、金属氧化物和导电聚合物）的优良载体，还可用于构建多孔膜/纸电极，从而显著提升超级电容器的性能。由CNFs和电化学活性材料组成的复合膜电极，常用于柔性超级电容器，因其具有优异的电化学性能、轻质化特点以及适合柔性器件应用的机械性能而备受关注。Yuan等通过将紧密堆叠的MXene层插入CNFs/聚苯胺中，成功制备了MXene/CNFs/聚苯胺薄膜电极（图4），并获得了多孔结构增强的复合薄膜。与纯MXene薄膜相比，CNFs的加入使薄膜的抗拉强度从11.7 MPa提高到15.77 MPa。MXene纳米片层间距的增加以及导电三维网络的构建，显著提升了电极材料的电化学性能。基于该复合膜电极的柔性超级电容器，在5 mA cm⁻²的电流密度下展现出522 mF cm⁻²的高比电容，并具有良好的电稳定性、循环稳定性以及94.7 μWh cm⁻²的面能量密度（在功率密度为573 μW cm⁻²时）。此外，两个串联的超级电容器能够轻松点亮1.8 V的LED灯。

图4. CNFs在超级电容器电极

总结及展望

目前，全球正朝着实现负碳足迹的目标迈进，这是应对气候变化的关键一步。纳米纤维素作为一种可再生、可生物降解且环境友好的材料，在这一转型过程中发挥了重要作用，有助于减少对化石燃料的依赖及其对环境的负面影响。因此，基于纳米纤维素能源转换与存储材料的设计，具有广阔的发展前景。

04 作者简介

吴敏 研究员

吴敏，中国科学院理化技术研究所研究员，博士生导师，生物质材料研究单元负责人，兼任中国化学会纤维素专业委员会委员，中国造纸学会纳米纤维素及材料专业委员会委员，中国纤维素行业协会技术委员会委员，中国纤维素行业协会标准委员会委员，泰山产业领军人才，2019可再生材料纳米技术国际会议联合主席，期刊Journal of Bioresources and Bioproducts、Paper and Biomaterials、Polymers fiber、Green Carbon、《纤维素科学与技术》编委。主要从事农业废弃物综合利用，纤维素纳米化等方面研究。在纤维素的纳米化制备、分散、凝聚态结构与性能调控、纳米复合材料等基础研究方面做了大量工作。率先开展了机械化学法制备纳米纤维素工作，创新性地提出了机械球磨和介质极性协同制备纳米纤维素的新方法，有效解决了现有化学和物理方法在纳米纤维素制备方面存在的瓶颈问题，形成了具有独立知识产权的技术。曾主持多项国家自然科学基金项目,国际访问学者、人才计划及企业联合项目。目前已授权国家发明专利30余项，授权PCT美国专利1项，欧盟授权专利1项，日本授权专利1 项，发表SCI文章200余篇。

王超 高级工程师

王超，中国科学院理化技术研究所高级工程师，主要从事天然植物资源的高效利用及纤维素基功能材料的制备及应用。曾主持国家863计划探索项目，国家自然科学基金青年项目，面上项目，中国科学院国际人才交流计划，京津冀自然科学基金联合项目（北京）等多个研究项目，并参与多个企业联合项目。累计发表SCI文章40余篇，专利近20项；相关成果发表在Nanoscale、J. Mater. Chem. A、Acs. Sustain. Chem. Eng.、Cellulose、Green Carbon、Carbohydrate Polymers等期刊。

05 Green Carbon

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