用于高级电化学储能装置的木材衍生材料
摘要：
在过去的十年中，木材衍生材料引起了人们对各种功能器件的基础研究和实际应用的巨大兴趣。除了可再生、对环境友好、资源丰富和可生物降解外，木材衍生材料还具有几个独特的优点，包括具有多层孔隙结构，优异的机械柔韧性和完整性，以及可调谐多功能性，使它们非常适用于高效的储能和转换。本文讨论了用于电化学储能系统和器件（如超级电容器和可充电电池)的木材衍生材料的最新发展，重点介绍了它们的微观/纳米结构，以及调整其结构和形态对电化学性能的影响（能量和功率密度以及长期耐久性）。此外，还概述了电化学储能应用的科学和技术挑战，以及这一令人兴奋的领域未来研究的新方向。
- 介绍
电化学储能(EES)器件（如超级电容器(SCs)和可充电电池）作为几种新兴技术（如电子电动汽车(EVs)、智能电网和便携式电子设备）的迅速发展在过去几十年中引起了人们的极大关注，因为它们具有提供高性能、长寿命和良好安全性能的潜力。新型电极材料的开发和电极结构的设计是实现这些器件高性能的关键，这被认为是未来EES技术发展的主要挑战。除了实现高性能外，还存在一些其他挑战，包括降低成本、提高安全性和解决下一代绿色和可持续EES设备的环境问题。
近年来，木材及其衍生物作为EEs器件的电极材料引起了研究人员的广泛兴趣。木质基材料具有多层孔隙结构（如垂直通道和许多微/纳米孔），用于电子和离子的快速传输；同时它们源于自然、资源丰富，环保可再生，使得它们非常适合于EES器件组件，包括电极、电流收集器、分离器和模板/基材材料。1990年初，碳化木材在先进材料领域的应用就已经得到了相关报道。到了2000年，通过各种改性/活化措施，木材衍生碳材料作为EEs电极材料得到进一步开发。近年来，木材及其衍生物在许多领域得到了广泛的研究，取得了巨大的成功，特别是在纳米技术的发展中。图1简要总结了EEs木质基材料开发的进展，并举例说明了这方面的进展。这可以追溯到20世纪90年代，当时对碳化木材的物理性能及其在复合材料（例如碳/聚合物、碳/碳和碳/陶瓷）制造中的应用进行了早期研究。后来，木材衍生的碳材料被进一步用作SCs和锂离子电池(LIBs)的电极。自2013年以来，木材衍生材料的应用进一步扩展到钠离子电池(NIBs)和其他电池。最近，对于EES的木质基材料的研究得到了蓬勃发展。在这方面，胡氏、贝格伦德和余氏集团取得了巨大的进步。与传统的电极材料相比，木质基电极具有独特的优点，如分层多孔结构、优越的机械性能、高导电率和实现活性材料高面积质量负载的潜力。在EES装置中使用木材的典型策略包括：1)直接将碳化木材作为电极活性材料或集电极；2)以碳化木材为模板，创造出保持了木材原始多通道结构的电极；3)通过涂覆导电材料制作木质基电极；4)使用天然木片作为分离器。
图1. 具有代表性的例子说明了EES装置用木基材料的开发进展。
图2. 本综述主题的示意图，包括木材资源、木材衍生材料制造以及EES器件(包括SCS、LIBs、NIBs和其他电池的结构和功能设计)。
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