木质素具有较高的碳含量和芳香族结构，是理想的碳源。可持续发展和环境保护意识的提高，促进了人们对可再生木质素生物质衍生碳材料在能源领域应用的兴趣。随着对绿色高性能储能材料需求增加，木质素碳材料展现出巨大的应用前景。近年来，人们通过不同方法，从木质素中制备了大量碳材料。但是，木质素衍生碳纳米纤维薄膜和生物碳复合膜的韧性较差，限制了其在高性能柔性电池应用。

　　针对以上问题，东华大学朱美芳院士团队提出了一种从木质素大规模合成柔性CNT薄膜的简单方法：采用浮动催化化学气相沉积法合成具有高韧性和导电性的CNT薄膜。柔性CNT 薄膜可以直接作为电极使用，避免了额外的粘结剂和导电碳，有助于提高电池的能量密度。这些特性使CNT薄膜适用于制造Li-S电池的柔性主体材料，同时高柔韧性使其成为可折叠软包电池的理想电极材料。该工作是朱美芳院士团队近期在可再生生物质高值转化领域的最新进展之一。在过去的几年中，为了响应国家“双碳战略”，提高生物质资源的利用率，团队还提出了一种利用FCCVD法来制备生物质衍生碳纳米管纤维的新策略，利用该方法制备的碳纳米管纤维拉伸强度和电导率分别可以达到1.33GPa和1.19 × 105 S m-1，高于现有生物质衍生碳纤维（Nat. Commun.， 2022， 13(1): 5755.），该方法还可以拓展到其他生物质（Green Energy & Environment， 2023， 8(6): 1711-1718.）。团队为了扩宽木质素加工方法和降低碳纤维的使用成本，还利用熔喷和碳化等技术工艺研发出可以大规模制造的低成本、高导电木质素基碳纤维毡，用于传感器、催化材料和新能源等领域（Int. J. Biol. Macromol.， 2022， 216:388-396. Materials Horizons， 2023， DOI: 10.1039/D3MH01027A）。

　　通过将木质素溶解得到均匀的木质素溶液。使用蠕动泵将木质素溶液连续输送到管式炉中，木质素溶液在炉内高温加热下分解为单环芳烃（MAHs）。在1400°C下，这些MAH可以进一步热解成小分子气体，其中CO主要用作碳源合成CNT。高温下生产的MAHs由铁催化，硫促进CNT的合成。合成的碳纳米管在氩气流的载体下进一步组装成空心管状气凝胶，使用反向旋转的双辊使CNT气凝胶致密化。缠绕一定时间后，得到一定厚度的木质素基CNT薄膜，如图1所示。

　　作者采用扣式电池对CNT薄膜作为锂硫电池的正极负载材料的电化学性能进行了测试。在0.1C（1C = 1675 mAh g-1）的电流密度下，基于CNT薄膜正极的初始比放电容量为∼1151.3 mA h g–1，在80次循环后，该容量保持在∼891.0 mA h g–1，容量保持率为77.4%，库仑效率保持在接近100%。作为对照，作者在相同条件下测试了商业碳纸（CP）作为锂硫电池的正极负载材料的电化学性能。在相同倍率下经过80次循环后，放电比容量仅为∼738.4 mA h g–1，如图2d所示。即使在2.0 C的高电流密度下，基于CNT薄膜的正极的放电比容量仍保持在∼556.0 mA h g–1，而基于商业碳纸的正极的相对放电容量仅保持在182.3 mA h g–1，如图2e所示，表明CNT薄膜的正极具有良好的倍率性能。作者在0.5C和1.0C的电流密度下进行了长循环测试。经过200次循环后，基于CNT薄膜正极的放电比容量在 0.5和1.0 C的电流密度下分别保持在∼706.1和435.3 mA h g–1，容量保持率分别为87.1%和65.4%，如图2f所示。扣式电池测试表明基于碳纳米管薄膜正极的Li-S电池具有较好的循环稳定性和优异的倍率性能，主要可归因于碳纳米管的结构缺陷、边缘碳和少量含氧官能团可以在碳纳米管薄膜上引发极性。较高的极性增强了CNT网络对多硫化物的吸附，抑制了“穿梭效应”，并提高了循环稳定性，CNT薄膜的高表面积增强了导电剂和活性物质之间的界面，从而改善了电子传输，从而增强了反应动力学。

　　（c）基于CNT薄膜的Li-S纽扣电池在0.1、0.2、0.5C、1.0C和2.0C不同电流密度下的充放电曲线

　　（d）由CNT薄膜基正极和CP基正极制备的Li-S纽扣电池在0.1 C电流密度下80次循环的放电比容量

　　（e）基于碳纳米管薄膜和CP的Li-S纽扣电池在0.1、0.2、0.5、1.0和2.0 C不同电流密度下的比放电容量

　　（f）基于碳纳米管薄膜的Li-S纽扣电池在0.5和1.0 C电流密度下200次循环（前3次循环在0.1 C下活化）的比放电容量

　　碳纳米管薄膜被用于制造柔性Li-S软包电池的原型，以进一步证明其在柔性电子设备中的潜在应用。图3a显示了由CNT薄膜基正极制备的Li-S软包电池的结构。如图3b，c所示，Li-S软包电池在∼1.7–2.8 V 的电压窗口内以0.1 C的电流密度循环。在0.1 C时，Li-S软包电池的初始放电比容量为∼1063.9 mA h g –1，在20次循环后，放电比容量保持在∼1059.0 mA h g–1，库仑效率非常稳定。此外，由组装好的柔性软包电池在各种弯曲状态下为LED灯供电，以演示实际应用。如图3d所示，不同弯曲状态下的LED灯正常工作表明了基于CNT薄膜的Li-S软包电池良好的稳定性和柔韧性，可应用于可穿戴储能应用。

　　该研究团队长期聚焦在木质素衍生碳纳米管高值转化方法的建立和基础理论的研究，采用FCCVD方法，通过木质素热解、雾化裂解、碳源溶解析出、碳纳米管组装的步骤，制备了木质素基CNT薄膜，可以直接用作Li-S电池的正极负载材料，同时CNT薄膜具备的高强度、高韧性和优异导电性，使其成为可折叠软包电池的理想电极材料。因此，该研究提供了一种将木质素高效转化为CNT薄膜的方法，为木质素的高价值化利用提供了新思路，也为开发绿色、可持续的柔性储能器件电极材料提供了新策略。

　　本文为澎湃号作者或机构在澎湃新闻上传并发布，仅代表该作者或机构观点，不代表澎湃新闻的观点或立场，澎湃新闻仅提供信息发布平台。申请澎湃号请用电脑访问。