纖維素基納米復合材料在儲能領域的應用研究進展

欒云浩 曹 慧 劉婉嫕 李宇航 王 聰 劉鵬濤

（天津科技大學天津市制漿造紙重點實驗室，天津，300457）

由于現代社會的飛速發展，全球面臨著日益增多的電力消耗，人們對能源需求的上漲已成為一個嚴重的問題。因此，研究者們對開發先進、低成本和環保型儲能設備的興趣穩定增長[1]。其中超級電容器和電池方面的電化學儲能系統（例如鋰（鈉）離子電池和鋰硫電池）在為便攜式電子設備、電動汽車、混合動力汽車甚至大型儲能系統提供動力方面顯示出巨大的潛力[2]。除了性能和安全性增強之外，儲能設備未來發展的主要挑戰是降低生產和總體設備成本，實現柔性設備，并利用綠色和豐富的原材料，實現環保工藝以及開發易于回收利用的材料設備。在眾多候選材料中，纖維素衍生的作為各種電化學能量存儲設備的材料受到越來越多的關注[3]。

纖維素是地球上最豐富的可再生有機聚合物，其結構是由D-葡萄糖連接而成的線性天然高分子，具有優異的親水性、生物降解性、生物相容性、易于成膜和凝膠等優點，與此同時，纖維素自身的晶體結構賦予了其優良的機械性能。隨著納米技術的發展，纖維素逐漸走向納米領域。由纖維素制備的納米纖維素具有比表面積大、熱膨脹系數低、密度小、強度高、有利于對其進行表面改性等優點。由于納米纖維材料優異的結構性質，人們將其應用于各個領域，例如將光學透明材料[4]用于增強聚合物納米復合材料[5]、仿生材料生物傳感器和能量收集器[6]。除此之外，納米纖維素還有許多潛在的應用領域，例如在微流體通道中用作細胞培養基質或用于印刷電子產品的基質。目前在諸多應用中，用于儲能的納米纖維素材料的開發受到越來越多的關注。

本文簡要介紹各類納米纖維材料的制備工藝及結構差異，并將近年來的研究成果及其電化學儲能設備的最新研究進展進行綜合概述。

1 納米纖維素的制備及特征

納米纖維素是指橫截面直徑小于100 nm、長度幾百納米到微米級的纖維素。由于其較大的長徑比，納米纖維素具有良好的力學性能；依據其結構尺寸、制備過程及制備條件可將納米纖維素大致分為纖維素納米晶體（CNC）、纖維素納米纖絲（CNF）及細菌纖維素（BC），其透射電子顯微鏡圖如圖1所示。除以上3種納米纖維素，還可以通過其他制備方法從不同的前驅體研制出其他形狀的纖維素納米顆粒。例如，球形纖維素納米粒子是由一系列纖維素衍生物制成的[7]，帶狀纖維素納米纖維是通過靜電紡絲技術從纖維素基前驅體制成的。這些纖維素納米顆粒也同樣具有開發儲能設備的潛力。

圖1 透射電子顯微鏡圖Fig.1 TEM images of nanocellulose

1.1 纖維素納米纖絲（CNF）

目前制備CNF的方法主要有機械法[8]、化學法[9]、生物法[10]。機械法主要是由高壓均質機、高速攪拌機、高速研磨機等設備的離心擠壓、剪切、液流碰撞、摩擦等作用，將纖維素纖維撕裂、剝離成直徑為納米尺寸范圍的納米纖維素。化學法是采用2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧自由基（TEMPO）氧化處理纖維素，將纖維素分子C6上的羥基氧化成羧基，由于羧基官能團表面的負電荷產生排斥作用，可降低分子間氫鍵作用，有利于纖維分離，從而制備出高長徑比的

CNF。

Chen等人[11]報道了一種通過化學提純（去除非纖維素成分）和高速攪拌（破壞纖維結構）結合高壓均質預處理（納米纖維化）從原棉中分離出CNF的方法。制備的CNF具有10～30 nm的均勻寬度和高縱橫比。因此，利用任何一種纖維含量較高的植物均可以生產具有高縱橫比和網狀纏結結構的CNF。

CNF具有超高的長徑比和三維網狀纏繞結構，有利于開發柔性基材，例如薄膜和氣凝膠，其與活性材料結合后，可以開發用于柔性和高強度儲能設備的電極和隔板。

1.2 纖維素納米晶體（CNC）

纖維素遇到強酸溶液時，其無定形區優先被水解，而對酸侵蝕具有較高抵抗力的結晶區則會保持完整。因此目前CNC主要使用化學法（酸水解）生產，應用較為廣泛的是硫酸水解法[12]。此外，在利用化學法制備CNC時，水解反應中硫酸濃度通常控制在65%，一方面可有效水解和形成硫酸酯，另一方面需要防止纖維素脫水碳化。使用類似的硫酸水解法獲得的CNC結構取決于纖維素來源，原料源于棉花的CNC長度100～300 nm，而來自短鏈霉素的CNC長度則為幾微米，并且具有晶須狀形態。

相對于CNF的高長徑比，CNC的長徑比較低，由于其特殊的制備手法，CNC具有高結晶度和熱穩定性，熱降解溫度約341℃。

具有高比表面積和高結晶度的CNC有利于與活性材料結合或轉化為碳材料以開發生物質電極。CNC的特殊結構有望用于開發具有新穎結構和高性能能量存儲特性的電極材料。

1.3 細菌纖維素（BC）

BC源于微生物發酵，是通過生物技術組裝工藝從微生物中制備的，細菌在常見的水性營養培養基中培養，且BC作為胞外多糖在與空氣的界面處排泄，產生了由相互連接的3D多孔BC網絡結構組成的濃稠凝膠，制備過程中可通過改變細菌菌株的類型、培養基中的添加劑、培養的類型和條件及后處理階段的干燥過程來控制BC網絡的結構[13]。

與CNF和CNC不同，BC為寬度約100 nm，長度約100 mm的帶狀原纖維，不含羰基、羧基官能團，不含木質素和其他異物。BC聚合物鏈非常長，聚合度最高可達8000，并具有高達90%的獨特結晶度。此外，BC還可被用作制備CNF和CNC的原料。

BC是具有網狀纏結結構的高純度纖維素，與可以從豐富的木質纖維素資源生產的CNF和CNC相比，BC的制備較繁瑣，成本相對較高。幾種納米纖維素的制備方式、原料及特點如表1所示。

表1 納米纖維素種類、制備方式、原料及特點Table 1 Types,preparation methods,raw materials and characteristics of nanocellulose

2 超級電容器

超級電容器又稱電化學電容器，其具有高功率密度、快速的充電/放電速率、長循環壽命、制備原理簡單等優勢，為滿足不斷增長的功率需求問題提供了一種富有前景的解決方法。

超級電容器通常可分為2類：一是雙電層電容器，通過在電極/電解質界面處的靜電積累電荷來存儲能量；二是贗電容電容器，其工作機理基于電極上的快速氧化還原反應。納米纖維素材料可以與活性材料結合或轉化為碳材料，作為組裝超級電容器的電極材料。

2.1 CNF或BC制備的柔性氣凝膠材料組裝超級電容器

由于CNF與BC具有較高的長徑比和網狀纏結結構，CNF或BC可以與活性材料（例如納米碳或導電聚合物）形成雜化物，優異的機械性能和三維網狀結構可為其提供堅實的載體，從而制備用于柔性超級電容器的電極材料。通過使用不同的復合方法（例如真空過濾和冷凍干燥）將活性材料與CNF或BC混合，形成各種結構，例如纖維、薄膜、紙、氣凝膠、水凝膠等。由于CNF或BC高縱橫比和優異的機械強度，制備的復合材料使超級電容器具有柔性，可以在反復彎曲、折疊或壓縮時存儲能量，不會顯著降低電化學性能。

2.1.1 與納米碳材料雜化

CNF或BC可以作為分散劑與納米碳材料（如碳納米管（CNT）和石墨烯）混合形成均勻的懸浮液，以制備超級電容器。

Zhang等人[14]考察了一種簡便、環保的新型多功能CNF/石墨烯氣凝膠的水熱處理、冷凍干燥和碳化合成方法，并探討了它作為超級電容器、電極和吸收劑在能源和環境方面的應用。所制備出的氣凝膠具有高孔隙率和相互纏繞的三維納米結構，能有效遷移電解質離子和電子，具有優異的電化學性能。在5 mV/s的掃描速率下，比電容可達300 F/g，具有良好的電化學性能和吸附性能，有望成為一種高性能的超級電容器電極材料和吸附材料。

Gao等人[15]以CNF/多壁碳納米管（MWCNTs）水凝膠為原料，采用超臨界CO2干燥法制備了CNF/MW?CNTs雜化氣凝膠，并以CNF/MWCNTs雜化氣凝膠膜為電極材料和電荷收集器，制備了全固態柔性超級電容器。具有三維網狀結構的CNF可以有效阻止MW?CNTs的聚集，顯著提高介孔材料的利用率，因此，CNF/MWCNTs雜化氣凝膠全固態柔性超級電容器具有優異的電化學性能（比電容178 F/g），其組裝的柔性超級電容器也表現出良好的循環穩定性。

2.1.2 與導電高分子混合

聚吡咯（PPy）、聚苯胺（PANI）和聚噻吩（PEDOT）等導電聚合物的單體可以以原位聚合的方式形成導電聚合物，并在CNF或BC周圍形成均勻層，制備具有高導電性的復合膜/紙[16]。為提高復合材料的電化學性能，需進一步要求復合材料厚度大、活性物質負載量大，這往往會犧牲電極的柔韌性。因此，改善納米纖維素與導電聚合物之間的界面相互作用，用均勻且足夠薄的導電聚合物層包裹納米纖維素，以及減小電極厚度是制備柔性電極的關鍵。

Yao等人[17]以BC作為吡咯聚合的模板制成復合導電膜（BC/PPy），使其不僅具有很強的機械性能（強度162.43 MPa），且當BC與PPy的質量比為1∶1時，BC-PPy膜電導率可達3.39 S/cm，比電容191.94 F/g。該研究制備的BC/PPy復合材料在超級電容器領域有著極為廣闊的發展空間，為綠色電子和能量存儲設備的生物材料提供可能。

Peng等人[18]以BC膜為模板沉積PPy和NiS用作柔性超級電容器電極。結果表明，復合膜具有高導電性，導電率高達5.1 S/cm，比電容713 F/g。該研究中NiS的存在顯著改善了復合材料的電容性能，符合目前便攜式電子產品的要求。

陳鵬[19]通過化學法與物理法相結合，制備具有三維網狀結構的CNF，并利用原位聚合法，在CNF表面由苯胺單體聚合生成PANI，該研究賦予了CNF優異的導電能力（測得復合導電材料的電導率最高可達5.04 S/cm），同時也克服了PANI自身難以成膜與不易加工的缺點。根據以上實驗流程以BC為模板，通過原位聚合法或直接混合法也可以制備出高導電率、高比電容、綠色環保、機械性能良好的PANI/BC導電復合材料。

2.1.3 與納米碳材料和導電聚合物同時復合

在CNF材料表面聚合生成導電聚合物，可以使纖維素氣凝膠獲得高導電性。然而單獨復合導電聚合物的氣凝膠往往機械穩定性較差。納米碳材料具有很高的導電性和機械強度，但其容易團聚，阻礙了其電活性。為了避免單個組分的缺點，可以將導電聚合物、納米碳材料同時與CNF結合，形成穩定性較高、性能優良的柔性納米纖維素復合導電材料。

Zhang等人[20]以CA-Fe3+絡合物為氧化前驅體，制備了具有良好三維多孔結構的柔性CNF/還原氧化石墨烯/聚吡咯（CNF/rGO/PPy）氣凝膠電極。絡合物中的Fe3+在混合液中逐漸釋放導致復合材料中吡咯的原位聚合，形成的PPy較薄且均勻；用CNF/rGO/PPy氣凝膠薄膜電極和聚乙烯醇（PVA）/H2SO4凝膠電解質及隔膜制備了柔性全固態超級電容器。由于電極的多孔結構、高電導率和顯著的潤濕性，組裝的超級電容器具有優異的電化學性能，最大面電容為720 mF/cm2（單電極比電容405 F/g），在電流密度0.25 mA/cm2時具有良好的循環穩定性。該研究利用綠色/可持續材料制成的柔性超級電容器具有良好的儲能性能，在便攜式和可穿戴電子產品等領域引起了廣泛的關注。

Yang等人[21]用原位化學聚合法在CNF/多壁碳納米管（MWCNTs）復合薄膜表面和內部網絡涂覆PANI制備了柔性可折疊超級電容器電極。該研究中利用乙醇置換法制備的CNF/MWCNTs氣凝膠狀薄膜具有多孔的三維網絡結構，在其內部形成了更多、更均勻的PANI聚合位，該研究制備的CNF/MWCNTs/PANI電極獲得了較低的電荷轉移電阻（6.31Ω）和優異的比電容（249.7 F/g），該低成本、輕質、柔性的電極材料有望作為高性能柔性全固態超級電容器的潛在應用。

2.2 CNC制備的復合氣凝膠材料組裝超級電容器

與CNF或BC相比，CNC具有更高的比表面積，可以通過多種方式將其與活性材料混合來制備超級電容器電極材料。CNC可以通過電沉積方法與導電聚合物（例如PPy）結合。此外，高度結晶的CNC具有更高的比表面積，可與活性材料結合。在單個CNC纖維上均勻覆蓋一層活性材料，可有效促進離子在充電/放電循環中的運動。不過在實際研究過程中，以CNC為基礎制備的薄膜和氣凝膠類材料有脆弱易碎的缺點，在彎曲或壓縮時很容易斷裂，這是由于CNC的長徑比較低，限制了CNC的實際應用。

CNC氣凝膠在制備過程中可以與各種活性納米粒子（如PPy、PPy涂層的CNT/石墨烯等）復合，并為其提供足夠的可覆蓋表面積，從而促進電荷存儲。具有CNC活性的納米顆粒混合氣凝膠不僅結構堅固，且在空氣和水性電解質中被壓縮時仍保持完整。Yang等人[22]開發了一種化學交聯法生產的具有可調節機械性能和形狀恢復能力的CNC氣凝膠，由醛基化CNC和酰肼改性CNC通過化學交聯制備。該研究所制備的CNC氣凝膠是一種多功能、通用的基質，可在其上摻雜導電活性物質進而大大提升電化學性能。研究中在CNC氣凝膠中原位摻入PPy、碳納米管和二氧化錳納米顆粒，得到了具有優異電容量、低內阻和快速充放電速率的柔性3D超級電容器器件。

3 鋰離子電池

鋰離子電池（LIB）因其高能量密度、高輸出電壓、可觀的使用壽命和對環境友好的優點而成為便攜式電子設備的主要電源。LIB的充放電過程基本上是通過鋰離子在正極和負極材料之間的結合/分離來實現的。在充電過程中，外部電源迫使電流反向通過，使鋰離子通過電解液從陰極遷移到陽極。在放電過程中，鋰離子通過非水電解液流回陽極，攜帶電流。納米纖維素可以與其他活性材料結合或者轉化為碳材料，作為LIB的電極材料。

3.1 以CNF或BC復合材料為基礎的柔性LIB

具有高長徑比優勢的CNF或BC可作為柔性基底和黏結劑與活性材料結合制備柔性LIB膜電極。

Wang等人[23]將納米纖維素與碳納米管、硅等活性材料結合，制備了柔性陽極。該工藝以納米碳纖維、納米硅顆粒和碳納米管為構建單元，納米硅顆粒分布均勻，與多孔、導電、柔性的納米纖維素/碳納米管的三維網絡基底的黏附性強，比容量高達800 mAh/g，具有很好的循環性能。該研究證明了輕量級和高柔性的SINP/CNT/CNC紙電極可用簡單的造紙方法制成，也可作為柔性電池系統的可行替代方案。其優異的電化學性能以及在工業上可持續的簡便制備方法，對開發低成本、簡便、可持續和輕質的柔性高能LIB陽極帶來了巨大的希望。

Simon等人[24]開發了柔性單紙LIB。通過對含有負電極（由石墨、Super-P碳和CNF組成）、分離器（由CNF和SiO2組成）和正電極（由LiFePO4、Super-P碳和CNF組成）的水分散體進行順序過濾。紙袋薄而結實，具有良好的循環性能。全紙電池的能量密度為188 mWh/g。該研究提出了一種制造柔性和高強度電池的方法，并將其集成到了單個柔性紙結構中，其中CNF既可用作電極黏結劑，又可用作隔膜材料。電池紙是通過包含電池組件的水分散體的順序過濾的造紙型工藝制造的，由此得到的紙張結構很薄，約250μm，且具備高強度性，在浸泡在電池電解液中時，斷裂強度高達5.6 MPa。該研究對開發具備高機械柔性、優異電化學性能的電池及可彎曲讀取電子設備提供了技術解決思路。

3.2 納米纖維素衍生碳材料

CNF和BC經過高溫熱解碳化后可以直接用作LIB的電極。這是由于碳氣凝膠具有分級的微孔-中孔結構和高比表面積，可以增大電極-電解液的接觸面積，降低鋰離子的擴散電阻，縮短鋰離子的擴散長度，提供固體電解質電子傳遞的連續路徑。將活性材料與納米纖維素進行有機結合，開發出碳化復合材料，可以進一步提高材料的電化學性能。

Li等人[25]通過濕法紡絲法制備了導電性良好的CNF/GO雜化纖維，并對其進行碳化。該研究中GO作為CNF碳化模板劑，在促進CNF碳化的同時，改變了碳化后的CNF從微球到片狀的形態，同時，碳化CNF解決了還原氧化石墨烯（rGO）在結構中因易團聚而導致的電化學性能下降的缺陷，rGO沿纖維方向有序排列使其具有優異的導電性。所制備的纖維材料用作LIB的陽極，其穩定的放電容量為312 mAh/g。該研究所制備應用的LIB電極材料可應用于可穿戴電子產品，且這種制備導電超細纖維的方法思路與研究中采用的低成本原材料也為其他碳基導電材料的制備提供了幫助。

Park等人[26]提供了一種新的材料復合手段，首先將CNF與氧化石墨烯（GO）充分混合，之后將其與磷酸鐵鋰（LiFePO4，LFP）混合，制備了CNF與GO共同負載的LFP納米復合材料。將復合材料在惰性氣氛中加熱，從而制備出碳化CNF和rGO共同負載的LFP納米復合材料。該納米復合材料作為LIB正極材料具有良好的倍率性能（0.1 C放電容量為168.9 mAh/g，60 C放電容量為90.3 mAh/g）和長期循環穩定性（500次循環后10 C放電容量約為初始容量的91.5%）。該研究中超薄碳化纖維不僅可以作為碳源，還可以作為黏合劑將LFP納米顆粒附著在rGO薄膜上；良好的倍率和循環性能歸功于LFP納米粒子與rGO之間緊密結合的電子通道和碳化CNF三維多孔導電網絡的電子傳遞。

碳雜化氣凝膠的高比電容量和良好的循環穩定性主要是由于分散良好的活性納米顆粒和相互連接的導電碳納米纖維在整個電極中提供了有效的電子傳導路徑，許多相互連接的空隙促進了鋰離子的擴散。因此納米纖維素衍生碳材料的多種優勢預示著其在LIB領域有著巨大的發展潛力。

表2 不同納米纖維素衍生材料制備儲能設備性能對比Table 2 Performance comparison of energy storage equipment prepared from differents nanocellulose-derived materials

4 鋰硫電池

硫具有價格低廉，儲量豐富等多種優勢，使鋰硫電池成為現如今一種特別有吸引力的低成本儲能裝置。然而Li-S電池的實際應用仍然面臨著一些挑戰。第一，在電化學循環過程中，硫粒子的體積變化會導致活性物質的結構變化，從而導致容量降低；第二，硫和Li2S都是絕緣的，使其電化學性能并不理想；第三，多硫化物易溶于電解液中，造成電池結構受損。

為解決上述問題，近年來人們做出了各種努力來設計和開發新型電極、分離器和電解液。基于納米纖維素材料的內在結構和性能，人們開始利用納米纖維素材料來制備高性能Li-S電池。納米纖維素可與活性材料集成，制備Li-S電池混合電極。由于CNF具有高長徑比、纏結網絡和結構表面上高豐度的羥基，可以用于制造長壽命Li-S電池的陰極材料[27]。

為了進一步提高碳載體的電化學性能，雜原子摻雜作為一種有效修飾碳載體電化學性質的方法受到了人們的關注。N是研究最廣泛的雜原子，它能提高電子導電性，對多硫化物有很強的吸附能力，具有良好的速率性能和顯著的循環穩定性。Huang等人[28]將硫浸漬在N摻雜石墨烯中，作為主要活性材料，并進一步焊接在CNF/碳納米管（CNT）框架中，兩側互連的CNF/CNT層可吸附多硫化物并提供有效的電子傳輸。碳質材料（石墨烯和CNT/CNF）的物理包覆和化學功能化（雜氮摻雜和羥基）對多硫化物的化學吸附的協同效應提供了良好的導電性，并且抑制了多硫化物的溶解和遷移。電極結構設計合理，比容量高，倍率性能好。

Li等人[29]利用碳化BC/二氧化鈦對多硫化物的強物理和化學吸附特性，設計了一種碳化BC/二氧化鈦（CBC/TiO2）改性隔膜來抑制Li-S電池的穿梭效應。改性隔板的電池在0.2 C下首次放電容量為1314 mAh/g，50次循環后放電容量保持為1048.5 mAh/g。在2 C循環250次后，Li-S電池的放電容量為475 mAh/g。在倍率測試中，Li-S電池的2 C放電容量為537.1 mAh/g。該團隊采用CBC/TiO2改性隔膜的Li-S電池具有優異的電化學性能，為Li-S電池的應用提供了一條新的途徑。

Wang等人[30]為了解決Li-S電池中硫的氧化還原動力學緩慢和多硫化物的“穿梭行為”問題，通過碳化BC得到具有相互緊密交錯結構的碳納米纖維，為低導電性硫陰極提供牢固的三維導電骨架基底。以極性CoS2為骨架的N摻雜碳納米纖維骨架可以實現多硫化物的協同物理/化學吸附和有效的催化轉化反應，有助于提高硫的氧化還原動力學，并且有效地抑制穿梭效應。此外，具有豐富羥基官能團的骨架對CoS2有很強的化學吸附作用，在循環過程中極大地保持了結構的穩定性。該研究制備出的高硫負載量（74.4%）的CoS2/N-CNF@S電極在100次循環后的可逆容量為497.3 mAh/g，庫侖效率提高了近100%，并且具有優良的循環壽命，在0.5 C循環300次以上容量保持率達73%。該研究采用了一種簡單的水熱法制備了CoS2/N-CNFS@S陰極，其中CoS2納米微粒有效地增強了氧化還原動力學，減弱了儲能過程中的極化。而且N摻雜碳納米纖維骨架具有較高的導電性和協同吸附多硫化物的能力，從而緩解了穿梭效應。該研究為將來液晶顯示器的高性能陰極提供了一個可行的見解。

綜上所述，納米纖維素衍生的雜化材料和碳材料有潛力用作高性能Li-S電池的電極、隔膜和電解質。然而，如何在保持納米纖維素及其衍生材料的柔性、高機械強度和優異的導電性的同時，在同一陰極中同時獲得高含量和高負載的活性材料仍是一個挑戰。因此，合理設計和優化納米纖維素衍生雜化材料和碳材料的分層多孔結構和表面/界面性質對于構建高性能Li-S電池至關重要。

5 結語

近年來，納米纖維素以其獨特的結構、性能和可持續性等優點在電化學儲能方面取得了重大進展，本文綜述了這一領域近年來的最新進展，重點介紹了納米纖維素的制備、結構和功能設計，以及納米纖維素衍生材料在目前各大儲能領域中的應用。納米纖維素衍生材料在各種電化學儲能應用中顯示出優勢，包括超級電容器、鋰離子電池、鋰硫電池等。盡管目前納米纖維素已經被成功地開發用于構建一系列高性能儲能器件的先進材料/器件，但仍有一些問題需要解決。

（1）大規模制造。雖然近10年來納米纖維素的制備技術已日趨成熟，多家研究機構和公司已實現了納米纖維素的大規模生產，但納米纖維素的結構、納米纖化程度、納米纖維的制備方法、納米纖維素的表面化學性質與實驗室嚴格制備的納米纖維素規格相比仍有很大的差別。因此，大規模生產高質量、高均勻性的納米纖維素，尤其是高寬比和個性化的納米纖維素，仍然是一個難題。

（2）化學修飾研究。表面改性和化學結構修飾對納米纖維素儲能材料/器件的制備和性能起著至關重要的作用。可以誘導納米纖維素及其衍生材料產生新穎的物理化學性質和強烈的協同效應，從而提高其儲能效率。因此，應進一步開發表面原子或分子工程（如雜原子摻雜、化學改性），直接利用或化學改性納米纖維素和納米纖維素衍生碳材料的表面結構和化學性質，通過分子工程途徑，例如：與弱鍵（如氫鍵、范德華相互作用）或強鍵（如共價鍵）效應相關的物理和化學處理，將材料與其他活性材料進一步復合，使制備的儲能材料導電性能和機械性能更加優異。

（3）創新挑戰。由于通過不同制備方法、不同來源制備出的納米纖維的特點與優勢是截然不同，新材料的研究和制備方法將為廣泛的應用開辟新的機遇。迄今為止，納米纖維素及其衍生材料已被廣泛應用于超級電容器和鋰離子電池中，但在鋰硫電池中的應用卻鮮有報道。此外，Mg（Al、Mn）離子電池等新型儲能系統的研究還很少。納米纖維素及其衍生材料具有機械穩定性和結構、表面/界面化學可修飾性的優點，其在未來新興儲能領域中的發展必是光明的。