综述：基于天然韧皮纤维的分离剂和电解质：来源、特性及设计原则

《Journal of Energy Storage》：Natural bast fibers-based separators and electrolytes: source, characteristic, and design principles

基于 bast 纤维的高结晶度、机械强度和热稳定性，研究系统综述了其在储能组件 separators 和 electrolytes 中的应用潜力，提出纳米结晶与功能化改性为核心策略，为绿色储能材料开发提供理论支撑。

　　

张天云|何尚杰扎西|冉芬

兰州工业大学绿色能源与储能学院储能研究所，中国兰州730500

摘要

面对日益严重的全球能源危机，新型储能系统的发展已成为核心研究焦点。作为储能系统的关键组成部分，隔膜和电解质的性能直接关系到储能设备的安全性和稳定性。天然韧皮纤维具有优异的拉伸强度、柔韧性和良好的耐高温性能，这能够有效提升隔膜和电解质的熱穩定性、機械強度和穩定的電化學性能。同时，韧皮纤维表面的豐富化學官能團为它们的結構改性提供了廣闊的空間，使其能够与各种类型的储能系统兼容。基于此，本文系统地阐述了基于韧皮纤维的隔膜和电解质在储能领域的应用进展。该综述进一步阐明了基于韧皮纤维的隔膜和电解质设计中的关键预处理工艺，并提出了两种核心改性策略：纳米晶化（纳米纤维的制备与应用）和功能化（引入官能團或材料）。这为后续在储能设备隔膜和电解质领域研究韧皮纤维提供了理论参考和技术思路。

引言

当前，在全球倡导可持续发展的背景下，以及化石能源资源日益枯竭的背景下，全球研究人员正投入越来越多的精力来研究和探索可再生能源[1]、[2]、[3]。电化学储能设备，包括锂离子电池、钠离子电池和超级电容器等，已成为支撑可再生能源整合不可或缺的技术支柱。这一优势源于它们固有的优点，如高能量密度、长循环寿命和快速响应动力学[4]、[5]。然而，这些储能设备性能提升和安全升级的突破在很大程度上取决于其核心组件的技术创新[6]、[7]、[8]、[9]。因此，一些研究人员详细解释了具有巨大发展潜力的电极材料及其未来发展战略[10]。同时，隔膜和电解质作为储能设备的基本组成部分，对储能系统的转换效率、循环稳定性和热安全性具有直接且决定性的影响[11]、[12]、[13]。因此，优化这两组组件的性能已成为克服当前储能技术瓶颈的关键途径。

从功能要求的角度来看，隔膜和电解质必须同时满足多种需求，包括高效的离子传输、优异的電子绝缘性、可靠的機械支撑和出色的電化學穩定性。特别是对于电解质而言，实现高离子传输数、宽電化學穩定窗口和低界面阻抗是关键问题[14]。同时，隔膜需要依赖精心设计的多孔结构和直通孔结构，以实现高效的电解质润湿和快速离子迁移，从而确保电荷传输过程的有效性[15]。另一方面，隔膜和电解质必须具有优异的機械強度和熱穩定性，以防止正極和負極直接接触，从而降低由内部短路引起的热失控事故风险[16]、[17]。这些性能参数极大地影响了储能设备的应用前景[18]。

目前，商用隔膜材料主要由聚烯烃基聚合物组成，如聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）。虽然这些材料具有成本效益高和机械强度高的优点，但它们也存在固有的局限性，包括对电解质的亲和力差、热分解温度低（PE约为135°C，PP约为165°C）以及不可生物降解。尽管无机陶瓷涂层隔膜或聚合物-无机复合隔膜可以提供更好的熱穩定性，但它们面临制造工艺复杂和环境友好性不足的挑战[19]。对于电解质而言，也存在类似的问题：液态电解质容易泄漏和易燃，存在安全隐患；相比之下，固态电解质虽然有望解决安全问题，但存在室温离子导电率低和电极-电解质界面兼容性差等障碍，无法满足高功率储能场景的需求[20]、[21]。

在这种技术背景下，基于生物质纤维素的材料，包括棉纤维、木纤维和韧皮纤维，为隔膜和电解质的绿色升级开辟了新的途径，利用了天然聚合物独特的结构特性和环境优势。这些纤维素基材料的分子链富含羟基，可以通过氢键相互作用自组装形成三维互连的多孔框架[22]、[23]。此外，其表面的羟基可以通过化学改性进一步调节离子传输行为[24]。这种结构配置不仅有利于高效的电解质渗透和无障碍的离子传输，还通过羟基与电解质离子之间的协同效应增强了离子传输数。

在这些纤维素基材料中，韧皮纤维（如亚麻、苎麻和黄麻）作为突出的子类，表现出更显著的性能优势。它们具有更高的纤维素结晶度（亚麻纤维的结晶度约为70-80%，超过棉纤维的60-70%），以及300至900 MPa的优异拉伸强度，远优于聚烯烃材料（20-45 MPa）[25]、[26]。此外，它们的热分解温度（180°C）远高于聚烯烃基材料（120°C）[27]，从而显著提高了储能系统的热安全性[28]。在微观层面上，韧皮纤维具有中空管状或沟槽状形态结构，有利于离子的方向传输。同时，这些材料的原料来自农业残渣或林业副产品，具有低碳足迹和固有的生物降解性——这些特性可以有效缓解与合成聚合物材料相关的环境污染问题。

基于这些研究，韧皮纤维在储能领域具有巨大的发展潜力，有望成为提升现有储能组件性能的关键材料。由于韧皮纤维在机械强度、热稳定性、低成本和环境友好性方面的优势，近年来研究人员对其在隔膜和电解质中的应用给予了关注。本综述系统地梳理了基于韧皮纤维的材料的核心特性，阐述了隔膜和电解质支撑应用的研究进展，并重点介绍了提高储能设备效率、稳定性和安全性的设计策略。旨在为韧皮纤维材料在先进储能技术中的大规模应用提供理论参考和技术途径。

部分内容摘录

韧皮纤维的来源

在学术和工业研究领域，如图1所示，根据韧皮纤维的植物来源和固有的生长特性，主要采用两种分类方法。从传统的分类角度来看，韧皮纤维主要根据其植物来源分为两组。

基于韧皮纤维的隔膜和电解质

在当前的储能技术领域，基于韧皮纤维的隔膜的应用仍然相对较少，其实际应用尚未得到广泛探索和验证。相比之下，基于韧皮纤维的电解质受到了广泛关注，并在多种储能系统中获得了更广泛的应用[73]、[74]、[75]、[76]。具体而言，它们已成功应用于钠离子电池等储能系统。

将韧皮纤维组装到隔膜和电解质中的设计原则

对于韧皮纤维来说，制造隔膜和电解质的过程并不简单。这一挑战主要源于它们固有的独特性质。如前所述，韧皮纤维含有丰富的果胶、半纤维素和其他杂质[84]。这些化学成分对隔膜和电解质在储能系统中的应用有着显著影响。因此，在使用韧皮纤维制备隔膜时，需要有效去除这些杂质。

概述与展望

在储能技术加速突破和全球追求绿色可持续发展的双重背景下，韧皮纤维凭借其固有的物理和化学特性——包括独特的层状微观结构、优异的机械强度、高结晶度和丰富的可修饰化学基团——在隔膜和电解质的研究与开发中展现出巨大的应用潜力。

CRediT作者贡献声明

张天云：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、监督、项目管理、资金获取、数据管理、概念化。何尚杰扎西：撰写——初稿、软件开发、数据管理、概念化。冉芬：撰写——审稿与编辑、监督。

出版同意

所有作者同意将手稿提交给本期刊。

伦理批准和参与同意

不适用。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作部分得到了国家自然科学基金（编号52463030）、甘肃省青年人才项目基金（编号2025QNGR06）、甘肃省陇原青年人才和兰州青年科技创新项目（编号2023-QN-101）的支持。