碳納米纖維是一種由碳原子構成的納米級纖維材料。它具有高強度、高導電性、高熱穩定性和低密度等特點，因此在許多領域具有廣泛的應用潛力。
碳納米纖維的制備方法多種多樣，常見的方法包括化學氣相沉積、電紡法和碳化纖維熱處理等。這些方法可以控制纖維的直徑、長度和形態，從而調控其性能。
碳納米纖維在材料科學、能源存儲、電子器件、催化劑等領域有著廣泛的應用。例如，在材料科學領域，碳納米纖維可以用作增強劑，提高復合材料的力學性能；在能源存儲領域，碳納米纖維可以作為電極材料用于超級電容器和鋰離子電池等；在電子器件領域，碳納米纖維可以用于制備柔性電子器件和導電薄膜等；在催化劑領域，碳納米纖維可以作為載體或催化劑本身用于催化反應等。
碳納米纖維在能源存儲領域具有以下具體的優勢：
1. 高比表面積：碳納米纖維具有非常高的比表面積，可以提供更多的活性表面用于電荷儲存和釋放，從而提高能源存儲設備的能量密度。
2. 優異的導電性：碳納米纖維具有良好的導電性能，可以有效地傳導電荷，提高能源存儲設備的電子傳輸速率和充放電效率。
3. 高機械強度：碳納米纖維具有高強度和優異的機械性能，可以增強能源存儲設備的結構穩定性和耐久性。
4. 良好的化學穩定性：碳納米纖維在常見的電解液和環境條件下具有良好的化學穩定性，不易發生腐蝕和氧化反應，從而延長能源存儲設備的使用壽命。
5. 可調控的孔隙結構：通過調控碳納米纖維的制備方法和工藝參數，可以控制其孔隙結構和孔徑分布，從而實現對能源存儲設備的電荷傳輸和離子擴散的調控，提高儲能效率。
基于以上優勢，碳納米纖維被廣泛應用于超級電容器、鋰離子電池、燃料電池等能源存儲設備中，以提高其性能和穩定性。此外，碳納米纖維還可以用于制備柔性電極和導電薄膜等，為可穿戴設備和柔性電子器件提供可靠的能源供應。
目前，碳納米纖維的制備方法主要包括靜電紡絲、碳化、電解、模板法等。在合成碳納米纖維時，不同的生產工藝條件往往可以獲得不同的結構，常見的形貌有：雙向狀、螺旋狀、晶須狀、多向狀、分叉狀等。根據其晶體結構的不同，可以將其劃分為：非晶的碳納米纖維、高晶化度的碳納米纖維、非晶碳成分和納米晶共存的碳納米纖維。
具有不同基邊比的三種碳納米材料示意圖（來源于愛斯維爾）
近年來，碳納米纖維因其優異的性能而被廣泛應用于各種應用，這些特性可以應用于特定領域，如水處理、過濾、包裝、納米復合材料、傳感、能源設備、組織工程和藥物輸送等。
（1）碳納米纖維在鋰離子電池負極材料上的應用
鋰離子電池的性能在很大程度上取決于鋰離子電池負極材料。目前，對鋰離子電池負極材料的研究重點集中在增加能量密度、改善首次庫倫效率和提高循環穩定性等幾個方面。碳納米纖維因其具有獨特的物理和化學性能而受到青睞，一方面，碳納米纖維材料大大提高了材料的導電性能；另一方面，碳納米纖維材料的表面有較多的晶體缺陷，這為在負極發生的反應提供了良好的反應活性位點。因此，碳納米纖維材料在鋰離子電池負極上具有廣泛的應用。
周榮鑫等在預氧化條件為250℃、120 min，碳化條件為800℃、120min條件下制得的碳納米纖維具有較好的形貌特征及化學性能，平均直徑為190nm，碳結構更加有序，碳含量達到73.7%。通過組裝鋰離子電池測試電池充放電性能，得到在100mA/g的電流密度下，放電比容量達到568.4mAh/g，經過100圈循環后容量保持率達77.3%，具有較好的充放電性能和循環性能。
（2）碳納米纖維在超級電容器領域的應用
電極材料的導電性能在很大程度上決定著超級電容器的功率密度及大電流密度下的充放電性能，碳納米纖維材料擁有普通碳材料的高強度和紡織物的易加工性能，因此可將其作為增強材料和基底材料進而得到高性能的納米復合材料。
將碳納米管、活性碳、石墨烯等導電性良好的碳材料復合到納米纖維的表面，能夠提高納米材料的充放電性能。此外，多孔碳納米纖維不僅具有比表面積大、孔隙率高、長徑比大等特性，還具有良好的導電性、高的比模量、高的穩定性、較低的密度以及較高的強度等優點，能夠提高電極材料的比電容，是作為超級電容器電極材料的理想選擇。
（3）碳納米纖維在電化學傳感器中的應用
在構筑電化學傳感器件時，傳感器的性能很大程度上取決于電極材料的選擇。研究表明，由組分單一的材料構建的電化學傳感器很難滿足對檢測的要求，因此需要利用復合材料來構建電化學傳感器，通過復合材料的協同作用能夠提高電化學傳感性能。由于碳納米纖維具有較大的比表面積和良好的生物相容性，且其本身具有電催化活性，也可負載金屬、金屬氧化物等其它具有催化活性的成分，所以不僅增加了材料的導電性，也可以避免負載材料發生氧化和團聚的現象，進而構筑具有優異性能的電化學傳感器。
（4）碳納米纖維用于二氧化碳的吸附
二氧化碳捕獲和轉化是碳納米纖維氈經常使用的另一個領域，因為它們成本低、可用性高、化學和熱穩定性以及定制其物理和化學表面特性的可能性。一般來說，碳捕獲和封存屬于主動減少二氧化碳的可能方法，因此被認為是緩解全球變暖的一種方法。二氧化碳的可能形狀和材料吸附，可以找到各種可滲透物體，例如通過靜電紡絲或 CVD 生產的活性炭纖維吸附劑或碳納米管，通過催化化學氣相沉積制備。
