离子液体调控纤维素复合储能纳米纸形态结构与电化学性能

Composite nanopapers from cellulose nanofibers and active materials can be applied as flexible electrodes of supercapacitors for energy storage. However, strong interactions among cellulose nanofibers can severely reduce ion paths in the composite nanopapers and thus limit the improvement in the energy density. Fabrication of aerogels or organgels from cellulose nanofibers has been proposed in the previous studies to enhance specific capacitance. Nevertheless, theses approaches have some shortcomings such as low production efficiency or evaporation of organic solvents.. In this proposal, ionic liquids, nonvolatile and conductive, are employed to improve ion transportation in the composite nanopapers. With tailoring of morphology and internal resistance, it is aimed to achieve high specific capacitance and superior rate capability. Moreover, based on plasticizing effects and π-π interactions, mechanical properties and stability of composite nanopapers can be improved. Finally, high performance flexible supercapacitors are assembled from composite nanopapers by gel electrolytes. This proposal can further extend the application of cellulose nanofibers in the energy storage devices, and promote fabrication of flexible electrodes in supercapacitors via a highly efficient and green rout.

纤维素纳米纤维与电化学活性物质混合制备复合纳米纸，可作为超级电容器柔性电极用于能量储存。然而，纤维素纳米纤维之间强相互作用会严重降低复合纳米纸的离子通道，无法实现高能量密度。以前的研究是通过制备纤维素纳米纤维气凝胶或有机凝胶来提高比容量，但却存在制备效率低或有机溶剂挥发等问题。. 本项目则是利用离子液体具有非挥发性和高离子电导性的特点，增强纤维素复合纳米纸中的离子扩散能力，并结合形态结构和内阻调控，以实现高比容量和优异的倍率性能。同时，基于增塑效应与π-π相互作用，改善纤维素复合纳米纸的力学性能及其稳定性。最后，采用凝胶电解质与复合纳米纸组装，得到高性能柔性超级电容器。本项目研究有助于进一步拓展纤维素纳米纤维在能量储存器件中的应用，促进超级电容器柔性电极的高效绿色化制备，具有重要的科学价值与应用前景。

纤维素是自然界中最丰富的天然高分子材料，是一种廉价的可再生资源，具有可降解、对环境友好、不产生污染等特点。拓展纤维素在能源领域的应用，能够同时兼顾能源利用与环境保护。本项目研究纤维素纳米化及复合，通过控制条件，得到高强度、高导电纤维素纳米纸，发展纤维素功能纳米纸制备方法，拓展其应用领域。基于原位溶胀制备高强度、高电导率纤维素凝胶电解质，最大限度发挥超级电容器的性能，为凝胶电解质规模化应用提供科学指导。利用纳米纤维素促进二氧化锰原位生长，提升超级电容器的比容量，揭示比电容、循环性能、倍率性能、内阻的影响因素；纤维素基体调控聚苯胺形态，得到柔性纤维素复合纸，阐明电化学性能与形态结构关系。基于纤维素分别制备集成式和纤维状储能器件，研究变形对循环伏安特性、比容量、循环性能的影响，建立柔性器件形态结构与能量密度/功率密度关系。本项目研究为储能器件结构设计提供了新思路，同时拓展了纤维素在储能器件方面的应用，为高性能柔性器件制备及其规模化应用提供了科学依据。. 项目研究取得较为重要的研究进展，发表高质量论文6篇，授权并转让国家发明专利1项，荣获江西省自然科学三等奖1项，培养研究生7名，完成项目预期研究成果。