综述：绿色化学设计的超级电容器：纤维素基水凝胶

　　本综述聚焦绿色化学理念在超级电容器设计中的应用，重点探讨纤维素基水凝胶（Cellulose-based hydrogel）的可持续特性。文章系统梳理了该类材料作为电解质/电极的优势：高亲水性（-OH）、可降解性、机械柔性（适应可穿戴设备），并指出其通过构建离子通道网络提升离子电导率（PVA/PAA/PAM对比）。未来需解决规模化生产（CNTs/graphene成本对比）和环境稳定性问题，为生态友好型高能储能（high-performance supercapacitors）提供新思路。

　　

Abstract

当前能源解决方案的核心议题之一是超级电容器（supercapacitors）的绿色化设计。纤维素基水凝胶凭借其可再生性、可降解性和三维多孔结构，成为替代传统材料（如石墨烯、碳纳米管CNTs）的理想选择。这类材料不仅能规避液态电解质泄漏风险，其机械柔性还完美契合可穿戴电子设备的应用需求。

Introduction

化石燃料枯竭与气候异常迫使能源技术转向可持续发展方向。超级电容器因充放电速率快、功率密度高而备受关注，但其传统材料存在能量密度受限、环境兼容性差等缺陷。纤维素基水凝胶的突破性在于：通过羟基（-OH）功能团构建的亲水网络，既能实现高效离子传输（较PVA提升30%），又可作为固态电解质避免泄漏。值得注意的是，纳米纤维素（nanocellulose）的引入进一步提升了水合性能，但其商业化仍受制于制备成本与长期稳定性挑战。

Overview of hydrogel

水凝胶的三维聚合物网络结构自20世纪60年代PHEMA问世后，便在储能领域展现独特价值。其轻质、柔性特性与导电材料（如聚苯胺PANI）复合后，可同步满足电解质隔离和电极活性需求。

Overview of Cellulose-based hydrogel

纤维素水凝胶的纳米级纤维结构赋予其超常吸水能力（较普通纤维素高5倍），而交联技术（如化学交联剂EDC）的运用显著增强了机械强度。这类材料在生物相容性测试中表现优异，但需注意酸性/碱性环境对其电化学稳定性的影响。

Development in supercapacitor

最新研究通过纤维素与导电聚合物（如PPy）的复合，成功将比电容提升至380 F/g。典型案例包括：

• 细菌纤维素（BC）基水凝胶在10000次循环后容量保持率>90%
• 木质纤维素气凝胶负载MnO₂
  后能量密度达45 Wh/kg

Conclusion and challenges

尽管纤维素水凝胶解决了传统超级电容器的环保痛点，但以下问题亟待突破：

1. 极端温度下导电率波动（-20°C至60°C区间差异达40%）
2. 规模化生产时纳米纤维分散均匀性控制
3. 与柔性基底（如PET）的界面粘附力优化

未来研究方向建议聚焦于仿生结构设计（如蜘蛛丝纤维拓扑）和智能响应水凝胶（pH/温度双敏感），这些创新或将推动超级电容器在智能纺织品和植入式医疗设备中的应用。