碳纳米纤维是一种由碳原子构成的纳米级纤维材料。它具有高强度、高导电性、高热稳定性和低密度等特点，因此在许多领域具有广泛的应用潜力。
碳纳米纤维的制备方法多种多样，常见的方法包括化学气相沉积、电纺法和碳化纤维热处理等。这些方法可以控制纤维的直径、长度和形态，从而调控其性能。
碳纳米纤维在材料科学、能源存储、电子器件、催化剂等领域有着广泛的应用。例如，在材料科学领域，碳纳米纤维可以用作增强剂，提高复合材料的力学性能；在能源存储领域，碳纳米纤维可以作为电极材料用于超级电容器和锂离子电池等；在电子器件领域，碳纳米纤维可以用于制备柔性电子器件和导电薄膜等；在催化剂领域，碳纳米纤维可以作为载体或催化剂本身用于催化反应等。
碳纳米纤维在能源存储领域具有以下具体的优势：
1. 高比表面积：碳纳米纤维具有非常高的比表面积，可以提供更多的活性表面用于电荷储存和释放，从而提高能源存储设备的能量密度。
2. 优异的导电性：碳纳米纤维具有良好的导电性能，可以有效地传导电荷，提高能源存储设备的电子传输速率和充放电效率。
3. 高机械强度：碳纳米纤维具有高强度和优异的机械性能，可以增强能源存储设备的结构稳定性和耐久性。
4. 良好的化学稳定性：碳纳米纤维在常见的电解液和环境条件下具有良好的化学稳定性，不易发生腐蚀和氧化反应，从而延长能源存储设备的使用寿命。
5. 可调控的孔隙结构：通过调控碳纳米纤维的制备方法和工艺参数，可以控制其孔隙结构和孔径分布，从而实现对能源存储设备的电荷传输和离子扩散的调控，提高储能效率。
基于以上优势，碳纳米纤维被广泛应用于超级电容器、锂离子电池、燃料电池等能源存储设备中，以提高其性能和稳定性。此外，碳纳米纤维还可以用于制备柔性电极和导电薄膜等，为可穿戴设备和柔性电子器件提供可靠的能源供应。
目前，碳纳米纤维的制备方法主要包括静电纺丝、碳化、电解、模板法等。在合成碳纳米纤维时，不同的生产工艺条件往往可以获得不同的结构，常见的形貌有：双向状、螺旋状、晶须状、多向状、分叉状等。根据其晶体结构的不同，可以将其划分为：非晶的碳纳米纤维、高晶化度的碳纳米纤维、非晶碳成分和纳米晶共存的碳纳米纤维。
具有不同基边比的三种碳纳米材料示意图（来源于爱斯维尔）
近年来，碳纳米纤维因其优异的性能而被广泛应用于各种应用，这些特性可以应用于特定领域，如水处理、过滤、包装、纳米复合材料、传感、能源设备、组织工程和药物输送等。
（1）碳纳米纤维在锂离子电池负极材料上的应用
锂离子电池的性能在很大程度上取决于锂离子电池负极材料。目前，对锂离子电池负极材料的研究重点集中在增加能量密度、改善首次库伦效率和提高循环稳定性等几个方面。碳纳米纤维因其具有独特的物理和化学性能而受到青睐，一方面，碳纳米纤维材料大大提高了材料的导电性能；另一方面，碳纳米纤维材料的表面有较多的晶体缺陷，这为在负极发生的反应提供了良好的反应活性位点。因此，碳纳米纤维材料在锂离子电池负极上具有广泛的应用。
周荣鑫等在预氧化条件为250℃、120 min，碳化条件为800℃、120min条件下制得的碳纳米纤维具有较好的形貌特征及化学性能，平均直径为190nm，碳结构更加有序，碳含量达到73.7%。通过组装锂离子电池测试电池充放电性能，得到在100mA/g的电流密度下，放电比容量达到568.4mAh/g，经过100圈循环后容量保持率达77.3%，具有较好的充放电性能和循环性能。
（2）碳纳米纤维在超级电容器领域的应用
电极材料的导电性能在很大程度上决定着超级电容器的功率密度及大电流密度下的充放电性能，碳纳米纤维材料拥有普通碳材料的高强度和纺织物的易加工性能，因此可将其作为增强材料和基底材料进而得到高性能的纳米复合材料。
将碳纳米管、活性碳、石墨烯等导电性良好的碳材料复合到纳米纤维的表面，能够提高纳米材料的充放电性能。此外，多孔碳纳米纤维不仅具有比表面积大、孔隙率高、长径比大等特性，还具有良好的导电性、高的比模量、高的稳定性、较低的密度以及较高的强度等优点，能够提高电极材料的比电容，是作为超级电容器电极材料的理想选择。
（3）碳纳米纤维在电化学传感器中的应用
在构筑电化学传感器件时，传感器的性能很大程度上取决于电极材料的选择。研究表明，由组分单一的材料构建的电化学传感器很难满足对检测的要求，因此需要利用复合材料来构建电化学传感器，通过复合材料的协同作用能够提高电化学传感性能。由于碳纳米纤维具有较大的比表面积和良好的生物相容性，且其本身具有电催化活性，也可负载金属、金属氧化物等其它具有催化活性的成分，所以不仅增加了材料的导电性，也可以避免负载材料发生氧化和团聚的现象，进而构筑具有优异性能的电化学传感器。
（4）碳纳米纤维用于二氧化碳的吸附
二氧化碳捕获和转化是碳纳米纤维毡经常使用的另一个领域，因为它们成本低、可用性高、化学和热稳定性以及定制其物理和化学表面特性的可能性。一般来说，碳捕获和封存属于主动减少二氧化碳的可能方法，因此被认为是缓解全球变暖的一种方法。二氧化碳的可能形状和材料吸附，可以找到各种可渗透物体，例如通过静电纺丝或 CVD 生产的活性炭纤维吸附剂或碳纳米管，通过催化化学气相沉积制备。
