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现代纺织中，纺织新材料的研发，特别是纳米纤维素纤维的开发和使用，突破了传统意义上纺织材料的概念。细菌纤维素纤维（Bacterial Cellulose，简称“BC”）作为一种优异的天然纳米纤维生物质材料，克服了纳米纤维制备过程复杂、生产成本高等难题，目前已经实现了规模化生产，有着十分广泛的应用前景。尽管已有大量文献报道了基于细菌纤维素纤维的储能材料，但是在实际应用中仍然存在一定的局限性。主要是因为BC表面单一的官能团和高结晶度、高纯度以及高聚集的特点，使其材料的功能呈现单一状态，不利于储能器件性能的提升。因此，有必要对BC进行改性和修饰，深入探讨其结构与电化学性能之间的关系，研发BC基储能器件，从而提高BC的附加价值。
针对BC在电化学储能器件中应用的局限性，论文提出采用2，2， 6，6-四甲基哌啶-1-氧化物自由基（TEMPO）氧化法对BC进行表面改性，以此来拓展BC在储能领域中的应用。以BC和TEMPO氧化改性的细菌纤维素（Modified BC，简称“MBC”）为基材，分别将其作为电极、隔膜、凝胶电解质膜的前驱体或主要材料，以此来组装成超级电容器和钠离子电池。在此基础上，探索全BC基储能器件开发的可行性。课题包括以下内容：
（ 1 ）采用TEMPO/NaClO/NaBr氧化体系对BC进行表面选择性氧化，利用一系列测试表征手段分析氧化改性前后BC的表观形貌和表面性能的差异。结果表明，TEMPO氧化改性只发生在纤维的表面和无定形区，材料的晶型结构并未发生变化；纤维表面引入的大量羧基官能团，减弱了纤维之间的相互作用力；在表面电荷的作用下，部分纤维进行重新排列组合，从而提高了BC纤维的分散性。另外，改性之后纤维和纤维束的尺寸均减小，微孔的数量增加。
（2）分别以BC和MBC为前驱体，在500-900℃直接炭化，制备出一系列具有一定容量和倍率特性的炭电极材料（将炭材料编号为p-BCx和p-MBCx，其中x代表碳化温度）。基于BC的炭材料的比容量与其比表面积有关，p-BC900 的比表面积最大，其比容量最高，为 149.1 F·g-1（1 A·g-1）；p-BC500 比表面积最小，其比容量最小，为30.8 F·g-1。而基于MBC得到的炭材料，其比容量不只与比表面积有关。这是因为，TEMPO氧化改性后制得的炭材料有更多的碳层和未解离的纤维束，其结构更加平整、密实，而且表面存在大量稳定的含氧官能团和缺陷位。同时，介孔的数量有所增加。这些差异性的结构特点有利于电解液离子的扩散和赝电容效应的增加。另外，p-MBC500 电极的容量由双电层和赝电容共同组成的，而 p-MBC900 显示典型的双电层电容行为。这说明随着碳化温度的升高，改性材料在电化学过程中呈现的赝电容作用逐渐减弱。
（3）分别以 BC和 MBC为前驱体制备出一系列多孔无序炭负极材料，并将其作为电极活性物质应用于钠离子电池中（样品标识和编号方法与（2）相同）。相比之下，基于 MBC 的炭材料的首放效率提高（ p-BC900、p-BC1000、p-BC1100 、p-MBC900、p-MBC1000 和 p-MBC1100 的首放效率依次是 36 %、38 %、44 %、52 %、50 %和44%）。随着碳化温度的增加，p-BC和p-MBC在低电压区的容量逐渐升高（p-MBC1100 除外）。因为低电压时的平台容量与材料的碳层间距有关，因此所制备的电极材料 p-BC 和 p-MBC 的储钠机理均是“吸附-嵌入”型。p-MBC1000 的平台容量高于 p-BC1000，表明在炭结构中引入含氧官能团不仅为钠离子的表面反应提供了更多的活性位点和缺陷，而且更重要的是增加了碳层间距；这有利于充放电过程中钠离子的嵌入和脱出。p-MBC1000 表现出最好的可逆容量、倍率性能和循环稳定性： 276 mAh·g-1（0.05 A·g-1）；81 mAh·g-1（电流密度从 0.05 A·g-1增加到 5 A·g-1）；82%（电流密度1 A·g-1，循环2000圈）。
（4）进一步以 BC 为前驱体、采用 KOH 活化法制备高比表面积的多孔炭材料，当 KOH与 BC的质量比为 1：2时，得到了具有丰富孔隙结构的有序介孔炭材料（p-ABC-2），该结构能为离子吸附和扩散提供更好的位点和通道。p-ABC-2在 2 - 4.2 V的有机体系中表现出较好的比容量和倍率性能：115 F·g-1（0.1 A·g-1）、54%（电流密度从0.5增加到10 A·g-1）。将p-MBC1000作为负极材料， p-ABC-2 作为正极材料，构筑 BC 基双炭型钠离子混合电容器。当正负极质量比为1：1时，在0-4.2 V的电压窗口下，器件有良好的电化学可逆性、较小的电荷传输阻抗和扩散电阻，以及良好的倍率性能。该器件的能量密度和功率密度分别为 124 Wh·kg-1和 15500 W·kg-1；2000次循环后，仍然保有初始容量的99.6%。
（5）利用 BC 高柔性、多孔性和强吸水的特征，分别以单壁碳纳米管和聚苯胺作为集流体和活性导电材料，制备自带隔膜特性的自支撑电极，其面积比容量达到 267 mF·cm-2。利用制备的自支撑电极组装简易的三明治器件，具有较高的比电容、较低的转移阻抗和较快的频率响应特性。此外，利用MBC高吸水和高分散性的特征，制备柔性凝胶电解质膜，以此组装的全固态超电器件在大功率和频率响应方面有良好的表现。该部分的研究为构建 BC 基全固态柔性超电器件提供了一种研发思路。
针对BC在电化学储能器件中应用的局限性，论文提出采用2，2， 6，6-四甲基哌啶-1-氧化物自由基（TEMPO）氧化法对BC进行表面改性，以此来拓展BC在储能领域中的应用。以BC和TEMPO氧化改性的细菌纤维素（Modified BC，简称“MBC”）为基材，分别将其作为电极、隔膜、凝胶电解质膜的前驱体或主要材料，以此来组装成超级电容器和钠离子电池。在此基础上，探索全BC基储能器件开发的可行性。课题包括以下内容：
（ 1 ）采用TEMPO/NaClO/NaBr氧化体系对BC进行表面选择性氧化，利用一系列测试表征手段分析氧化改性前后BC的表观形貌和表面性能的差异。结果表明，TEMPO氧化改性只发生在纤维的表面和无定形区，材料的晶型结构并未发生变化；纤维表面引入的大量羧基官能团，减弱了纤维之间的相互作用力；在表面电荷的作用下，部分纤维进行重新排列组合，从而提高了BC纤维的分散性。另外，改性之后纤维和纤维束的尺寸均减小，微孔的数量增加。
（2）分别以BC和MBC为前驱体，在500-900℃直接炭化，制备出一系列具有一定容量和倍率特性的炭电极材料（将炭材料编号为p-BCx和p-MBCx，其中x代表碳化温度）。基于BC的炭材料的比容量与其比表面积有关，p-BC900 的比表面积最大，其比容量最高，为 149.1 F·g-1（1 A·g-1）；p-BC500 比表面积最小，其比容量最小，为30.8 F·g-1。而基于MBC得到的炭材料，其比容量不只与比表面积有关。这是因为，TEMPO氧化改性后制得的炭材料有更多的碳层和未解离的纤维束，其结构更加平整、密实，而且表面存在大量稳定的含氧官能团和缺陷位。同时，介孔的数量有所增加。这些差异性的结构特点有利于电解液离子的扩散和赝电容效应的增加。另外，p-MBC500 电极的容量由双电层和赝电容共同组成的，而 p-MBC900 显示典型的双电层电容行为。这说明随着碳化温度的升高，改性材料在电化学过程中呈现的赝电容作用逐渐减弱。
（3）分别以 BC和 MBC为前驱体制备出一系列多孔无序炭负极材料，并将其作为电极活性物质应用于钠离子电池中（样品标识和编号方法与（2）相同）。相比之下，基于 MBC 的炭材料的首放效率提高（ p-BC900、p-BC1000、p-BC1100 、p-MBC900、p-MBC1000 和 p-MBC1100 的首放效率依次是 36 %、38 %、44 %、52 %、50 %和44%）。随着碳化温度的增加，p-BC和p-MBC在低电压区的容量逐渐升高（p-MBC1100 除外）。因为低电压时的平台容量与材料的碳层间距有关，因此所制备的电极材料 p-BC 和 p-MBC 的储钠机理均是“吸附-嵌入”型。p-MBC1000 的平台容量高于 p-BC1000，表明在炭结构中引入含氧官能团不仅为钠离子的表面反应提供了更多的活性位点和缺陷，而且更重要的是增加了碳层间距；这有利于充放电过程中钠离子的嵌入和脱出。p-MBC1000 表现出最好的可逆容量、倍率性能和循环稳定性： 276 mAh·g-1（0.05 A·g-1）；81 mAh·g-1（电流密度从 0.05 A·g-1增加到 5 A·g-1）；82%（电流密度1 A·g-1，循环2000圈）。
（4）进一步以 BC 为前驱体、采用 KOH 活化法制备高比表面积的多孔炭材料，当 KOH与 BC的质量比为 1：2时，得到了具有丰富孔隙结构的有序介孔炭材料（p-ABC-2），该结构能为离子吸附和扩散提供更好的位点和通道。p-ABC-2在 2 - 4.2 V的有机体系中表现出较好的比容量和倍率性能：115 F·g-1（0.1 A·g-1）、54%（电流密度从0.5增加到10 A·g-1）。将p-MBC1000作为负极材料， p-ABC-2 作为正极材料，构筑 BC 基双炭型钠离子混合电容器。当正负极质量比为1：1时，在0-4.2 V的电压窗口下，器件有良好的电化学可逆性、较小的电荷传输阻抗和扩散电阻，以及良好的倍率性能。该器件的能量密度和功率密度分别为 124 Wh·kg-1和 15500 W·kg-1；2000次循环后，仍然保有初始容量的99.6%。
（5）利用 BC 高柔性、多孔性和强吸水的特征，分别以单壁碳纳米管和聚苯胺作为集流体和活性导电材料，制备自带隔膜特性的自支撑电极，其面积比容量达到 267 mF·cm-2。利用制备的自支撑电极组装简易的三明治器件，具有较高的比电容、较低的转移阻抗和较快的频率响应特性。此外，利用MBC高吸水和高分散性的特征，制备柔性凝胶电解质膜，以此组装的全固态超电器件在大功率和频率响应方面有良好的表现。该部分的研究为构建 BC 基全固态柔性超电器件提供了一种研发思路。