江南大学龙柱团队研究成果：莱赛尔纤维基纸质复合电极的制备与性能研究
引言：
随着便携式、可穿戴电子设备（如智能手表、柔性显示屏）的快速发展，市场对兼具高能量密度、轻量化、柔性和长循环寿命的新型储能器件需求日益迫切。柔性超级电容器作为一类重要候选器件，因其功率密度高、充放电速度快、循环稳定性好等优点，在柔性电子领域展现出巨大潜力。电极材料是决定超级电容器性能的核心，而纸基电极凭借其天然的优势——轻质、柔性、可自支撑、加工性好、成本低廉以及环保可再生——被认为是构筑柔性储能器件的理想基材。
尽管纸基电极前景广阔，但目前普遍面临两个主要挑战：（1）如何进一步提升导电性和机械强度以满足柔性器件反复弯折的可靠使用需求；（2）如何有效负载高容量活性物质以提升能量密度。通常，通过负载二氧化锰（MnO₂）等赝电容型过渡金属氧化物可以极大提升材料比电容，但MnO₂的导电性差易导致电荷传输困难。因此，迫切需要一种新颖的结构设计，以纸为基质，将高导电性的碳纤维（作为导电与力学骨架）与高比表面积的碳材料（为MnO₂提供丰富的沉积位点）有效结合，构筑高性能的柔性复合电极。
本研究的核心目的正是回应这一挑战，创新性地提出并实践了一种将天然可再生的莱赛尔（Lyocell）纤维与商业化碳纤维（CF） 有机结合，通过一体化造纸工艺制备柔性自支撑基材，再原位负载MnO₂活性物质的完整技术路线。这为开发下一代绿色、高性能柔性超级电容器提供了新策略。
01、研究背景 当前，高性能柔性超级电容器电极材料的开发是能源材料领域的研究热点。纸基电极的研究路径主要围绕两种思路展开：一是，在现成的基底（如滤纸）上生长或负载活性材料。常见方法包括原位聚合（如聚苯胺PANI）、过渡金属氧化物/硫化物沉积、以及先进的激光诱导石墨烯（LIG）技术等。这类方法通常能快速改善电化学性能，但对基底本身的力学和导电性改善有限。二是，制备功能化纸浆，再通过湿法造纸获得具有特定性能的复合纸基体。这种方法可以实现活性组分在三维空间内的均匀分布，是获得结构一体化自支撑电极的理想途径。 在上述背景下，本研究选择的活性物质MnO₂因其理论比电容高（约1370 F/g）、储量丰富、环境友好而备受青睐，但其较低的电子电导率限制了实际性能的发挥。为此，一个有效的策略是将MnO₂与导电性良好的碳材料（如碳纤维、石墨烯、碳纳米管等）复合，以构建高效的导电网络。文章基于江南大学龙柱团队研究成果及国家自然科学基金项目支持。 02、创新亮点 （1）一体化绿色制备理念与工艺 研究提出并实现了从生物基原料到高性能器件的全流程一体化绿色制备路径。核心是利用湿法抄纸工艺，将Lyocell短切纤维与碳纤维直接制成复合纸（FP），而后通过磷酸（H₃PO₄）浸渍活化-碳化的简易工艺一步将其转化为柔性自支撑的碳纤维纸（CFP）。这种从“纸”到“碳纸”的内置导电骨架策略，规避了额外涂布导电剂和粘结剂的复杂步骤，工艺简便、环保。 （2）“活性位点+导电骨架”的复合基体设计 这是材料设计的核心创新。Lyocell纤维碳化后形成蓬松、多孔的活性炭网络，提供巨大的比表面积和丰富的MnO₂附着点；而碳纤维作为互穿的三维导电网络，为电子传输提供高速公路，极大增强了材料的导电性和机械强度。SEM分析证实了两种组分均匀交织，形成稳定且多孔的立体结构。 （3）结构调控与性能优化 研究系统探索了CFP中碳纤维含量对材料性能的影响，实现了结构性能的调控。发现当碳纤维含量为15% 时（CFP-15），材料在力学强度和柔性（延展性）之间取得了最佳平衡。此外，优化了电沉积MnO₂的关键参数——时间，发现沉积200 s时（MnO₂@CFP-200s）性能最优，形成了均匀分布的簇状与片状复合形貌，既能有效利用活性物质，又保证了良好的离子传输通道。 （4）优异的综合电化学与柔韧性能 最优样品MnO₂@CFP-200s在三电极体系测试中（2 A/g电流密度），展现出高达219 F/g的比电容。更重要的是，将其进一步组装成柔性固态对称超级电容器（SSC），采用聚丙烯酸（PAA）-KOH凝胶电解质，该器件在1 A/g电流密度下循环1 000次后，比电容保持率仍达到85.1%，证明了其在实际柔性器件应用中优异的电化学稳定性和循环寿命。所有电化学测试都直接在柔性自支撑电极上进行，无需额外集流体，验证了其作为柔性储能元件的实用性。 03、图文展示 图1 MnO₂@CFP复合电极材料的制备流程图 Fig 1.Schematic illustration of the preparation process of MnO₂@CFP composite electrode material 图2不同碳纤维含量的CFP的SEM图像：（a）CFP-10;（b）CFP-15;（c）CFP-20；（d）CFP-25 Fig.2 SEM images of CFP with different carbon fiber contents: (a) CFP-10, (b) CFP-15, (c) CFP-20, and (d) CFP-25. 图3 不同碳纤维添加量的CFPs：（a）X 射线衍射光谱;（b）拉曼光谱。 Fig.3 (a) X-ray diffraction (XRD) patterns and (b) Raman spectra of CFPs with different carbon fiber contents. 图6 原子力显微镜AFM三维图像：（a）CFP的AFM图像；（b）MnO₂@CFP的AFM图像 Fig.6Atomic force microscopy (AFM) 3D images: (a) AFM image of CFP and (b) AFM image of MnO₂@CFP 图8不同沉积时间的MnO₂@CFP：(a) 2A/g电流密度下的恒流充放电（GCD）曲线；（b）在10 mv/s扫描速率下循环伏安法（CV）曲线；（c）（EIS）电化学阻抗谱。 Fig.8 Electrochemical performance of MnO₂@CFP with different deposition times: (a) galvanostatic charge–discharge (GCD) curves at a current density of 2 A/g, (b) cyclic voltammetry (CV) curves at a scan rate of 10 mV/s, and (c) electrochemical impedance spectroscopy (EIS) spectra 图9MnO₂@CFP-200s：（a）两电极体系下不同扫速下的循环伏安法（CV）曲线;（b）不同电流密度下的恒流充放电（GCD）曲线；（c）两电极体系下的（EIS）电化学阻抗谱;（d）电流密度为2 A/g 时的电容保持率以及1 000 次 GCD 曲线循环 Fig.9 Electrochemical performance of MnO₂@CFP-200s in a two-electrode system: (a) cyclic voltammetry (CV) curves at different scan rates, (b) galvanostatic charge–discharge (GCD) curves at various current densities, (c) electrochemical impedance spectroscopy (EIS) spectra, and (d) capacitance retention at 2 A/g and GCD cycling stability over 1 000 cycles. 04、结论 （1）成功制备与结构确认：通过湿法抄纸、磷酸活化-碳化及电化学沉积的组合工艺，成功制备了结构均匀的MnO₂@CFP复合电极。结构表征证实，碳化Lyocell纤维形成的多孔活性炭为MnO₂负载提供了充足位点，而碳纤维则构成了高效的导电骨架。 （2）性能指标突出：经过条件优化，得到的最佳电极MnO₂@CFP-200s具有优异的电化学性能，其比电容达到219 F/g。由该电极组装的柔性固态对称超级电容器展现了85.1%的电容保持率（1 000次循环，1 A/g），表明其具有良好的循环稳定性和柔性器件应用潜力。 （3）贡献与意义：本工作提供了一条简便、绿色、有效的纸基柔性复合电极一体化制备策略。它巧妙地将纤维素材料的可再生性、碳纤维的高导电性/力学强度与MnO₂的高赝电容特性结合起来，为开发面向下一代可穿戴/便携电子设备的高性能、低成本、柔性超级电容器电极材料开辟了新的研究思路。 引用本文 文章发表于《功能材料》2026年第57卷第6期，欢迎引用本文： 张建建,戴磊,龙柱,等.莱赛尔纤维基纸质复合电极的制备与性能研究[J].功能材料,2026,57(6):144-151. ZHANG J J,DAI L,LONG Z,et al.Preparation and performance of Lyocell fiber-based paper composite electrodes[J].Journal of functional materials,2026,57(6):144-151.