随着可穿戴电子设备、智能纺织品、人造电子皮肤等诸多便携式电子设备的发展，人类进入了智能电子的新时代。无处不在的便携式电子设备加速了生产方式的转变，同时，迫切需要各种柔性电化学储能（EES）设备来提供足够的电力，如柔性金属离子/空气电池（Li/Na/K离子电池、锂硫电池、金属-空气电池和其他新型二次电池）和超级电容器。然而，商用的各种柔性储能器件的性能在实际应用中并不能令人满意，特别是相对较低的能量密度和较差的柔韧性。

柔性电极和器件的结构设计是提升柔性储能器件的电化学、机械等性能的关键。碳纳米纤维（CNFs）因具有导电性高、柔韧性好、成本低、可大规模制备等优点而被认为是一类具有广阔应用前景的柔性电极。

鉴于此，青岛大学王霞副教授联合东北师范大学吴兴隆教授，在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“Advanced Carbons Nanofibers-Based Electrodes for Flexible Energy Storage Devices”的综述，第一作者为青岛大学研究生孙畅。该综述首先深入剖析了当前柔性EES器件所面临的挑战，提出了从CNFs电极设计到器件构造的各种解决策略，并概述了其在各种柔性金属离子/空气电池(Li/Na/ K离子电池、锂硫电池、金属-空气电池和其他新型二次电池)和超级电容器中的应用进展。最后，提出了基于CNFs的柔性柔性EES器件未来发展前景，为研究高性能柔性柔性EES器件提供指导。

内容表述

该综述共包括五个章节，第一章介绍了柔性储能设备的研究背景。随着可穿戴电子设备、智能纺织品和人造电子皮肤等便携式电子设备的发展，迫切需要各种柔性的储能设备来提供足够的电力。

图1  CNFs基柔性EES器件的重要性及研究现状。

在第二章中，作者提出了目前柔性EES器件仍存在的一些问题，主要包括：灵活性差、能量密度低和在动态之中的电化学性能稳定性差。

图2 柔性EES器件面临的主要问题及策略。

第三章中，作者针对上述问题，提出了几个关键的有效策略，主要分为两大类：柔性电极的设计（包括柔性裸CNFs电极、基于CNFs复合柔性电极的结构设计，即形貌、界面、电子结构的调控；提高活性材料的担载量以及增强CNFs与活性材料之间的结合力）和构造有利的柔性器件结构。这些策略有利于进一步促进柔性储能设备的发展。

在第四章中，作者总结了CNFs基柔性EES器件的研究进展，例如金属离子/空气电池（Li/Na/K离子电池、锂硫电池、金属-空气电池和其他新型二次电池）和超级电容器。

图3 基于碳纳米纤维复合电极界面、电子结构调控以及增强碳纳米纤维与活性材料之间结合力策略构建高性能柔性钠离子电池。

第五章是总结和展望。近年来，尽管研究人员在解决柔性EES器件的现有挑战方面取得了显著进展，但学术实验和商业应用之间仍存在很大差距，因此还需要进一步关注以下问题和研究方向：1、柔性EES器件在弯曲过程中性能的退化机制；2、柔性EES器件的安全性；3、系统地理解CNFs与电极/电解质界面活性材料之间的分子相互作用，并从理论计算和实验测量的角度分析更多的影响因素，以阐明作用机制；4、精确控制复合材料的孔结构；5、重视机器学习和计算模拟如DFT计算、分子动力学和有限元模拟等来更好地开发高性能CNFs柔性电极；6、利用多种先进的原位表征技术来深入研究基于CNFs的柔性电极的结构变化以及柔性EES器件的工作机理；7、合理地设计和统一柔性EES器件的性能评价标准，特别是几何特性、机械性能和能量密度。

图4 CNFs基柔性EES器件的未来发展方向。

论文链接

Chang Sun, Zhiyuan Han, Xia Wang*, Bing Liu, Qiang Li, Hongsen Li, Jie Xu, Jun-Ming Cao and Xing-Long Wu*, Advanced Carbon Nanofibers-Based Electrodes for Flexible Energy Storage Devices, Advanced Functional Materials, 2023, 2305606.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202305606

人物简介

王霞，青岛大学物理科学学院副教授，硕士生导师。主要从事先进储能器件关键材料的设计和性能等方面的研究。近年来，主持完成纵横向科研项目5项以上，主持教育部产学研协同育人项目1项，已在Adv. Funct. Mater.、Nano-Micro Lett.、J. Mater. Chem. A、Nanoscale、ACS Appl. Mater. Interfaces、J. Power Sources等国际知名学术刊物上发表SCI收录论文40余篇，申请和获得国家发明专利5项。

吴兴隆，东北师范大学教授，教育部“长江学者奖励计划”青年学者、吉林省拔尖创新人才。主要从事先进二次电池材料、废旧锂电回收与再利用等研究工作。已在Prog. Mater. Sci.、Adv. Mater.（8篇）、Angew. Chem.（5篇）、Sci. Bull.（2篇）、Energy Environ. Sci.、Mater. Today（2篇）和Adv. Energy/Funct. Mater.（17篇）等学科顶级期刊发表通讯作者论文160多篇；论文被他人引用超过1.6万次，H指数为68；已获授权发明专利17项；主持了国家重点研发计划、国家自然科学基金委重大研究计划和吉林省科技厅中青年科技创新人才团队等研究课题。获得吉林省自然科学奖二等奖（排名第一）、吉林省青年科技奖、教育部自然科学一等奖、中国化工学会侯德榜化工科学技术奖青年奖、中国颗粒学会青年颗粒奖等科技奖励和荣誉。