當(dāng)前主流儲能裝置(如鋰離子電池、鋅離子電池)中廣泛使用的傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)，正成為制約其性能突破與安全應(yīng)用的關(guān)鍵瓶頸。木質(zhì)纖維素基凝膠聚合物電解質(zhì)(L-GPEs) 憑借其天然優(yōu)勢脫穎而出，成為解決傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)痛點(diǎn)的重要替代方向。這類電解質(zhì)以木質(zhì)纖維素(主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素三大組分構(gòu)成)為聚合物基體，通過物理或化學(xué)交聯(lián)形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，包容液態(tài)電解質(zhì)或離子液體形成凝膠狀態(tài)，其核心優(yōu)勢體現(xiàn)在三個(gè)維度：優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、良好的電解質(zhì)潤濕性和天然可再生特性。鑒于木質(zhì)纖維素基凝膠聚合物電解質(zhì)的快速發(fā)展，天津科技大學(xué)司傳領(lǐng)/朱禮玉/劉坤/徐婷等人全面總結(jié)和分析了木質(zhì)纖維素材料在凝膠聚合物電解質(zhì)中的關(guān)鍵性能調(diào)控策略及設(shè)計(jì)原則，系統(tǒng)闡釋了木質(zhì)纖維素基凝膠聚合物電解質(zhì)的性能特征與設(shè)計(jì)原則之間的內(nèi)在聯(lián)系，重點(diǎn)梳理和討論了木質(zhì)纖維素基凝膠聚合物電解質(zhì)在鋰離子電池、鈉離子電池、鋅離子電池、超級電容器及太陽能電池中的應(yīng)用進(jìn)展，剖析了木質(zhì)纖維素基凝膠電解質(zhì)從基礎(chǔ)研究走向?qū)嶋H應(yīng)用所面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

I 凝膠聚合物電解質(zhì)材料面臨的主要挑戰(zhàn)

與傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)相比，GPEs以聚合物網(wǎng)絡(luò)為剛性基體，包容液態(tài)電解質(zhì)或離子液體形成凝膠狀態(tài)—— 既完整保留了液態(tài)電解質(zhì)優(yōu)異的離子傳輸能力，確保儲能器件的高倍率性能；又兼具聚合物材料良好的柔韌性與可成型性，緊密貼合電極表面提升電解質(zhì)與電極的界面相容性。目前，GPEs已在鋰離子電池、超級電容器、固態(tài)燃料電池等各類儲能設(shè)備中展現(xiàn)出廣闊應(yīng)用前景，成為柔性電子、新能源汽車、大規(guī)模儲能等領(lǐng)域的關(guān)鍵材料突破口。

然而，盡管 GPEs 在性能與安全性上實(shí)現(xiàn)了對傳統(tǒng)電解質(zhì)的跨越式改進(jìn)，其從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用仍面臨三重亟待突破的核心挑戰(zhàn)，從性能、應(yīng)用及規(guī)?；a(chǎn)多個(gè)維度制約著發(fā)展進(jìn)程(圖1)：一是離子電導(dǎo)率的溫度依賴瓶頸。現(xiàn)有 GPEs 的離子傳輸效率對溫度變化敏感，室溫下電導(dǎo)率難以媲美液態(tài)電解質(zhì)，低溫環(huán)境下聚合物鏈段蠕動減緩會導(dǎo)致電導(dǎo)率驟降，高溫下液態(tài)組分揮發(fā)又可能引發(fā)性能波動，難以滿足儲能設(shè)備在極端環(huán)境(如寒冷地區(qū)、高溫工況)的穩(wěn)定運(yùn)行需求；二是界面相容性的動態(tài)劣化難題。雖然 GPEs 初始階段能與電極緊密貼合，但長期充放電過程中，電極體積膨脹、活性物質(zhì)溶解及副反應(yīng)產(chǎn)物堆積，會導(dǎo)致電解質(zhì)-電極界面逐漸剝離、阻抗升高，最終引發(fā)器件循環(huán)壽命縮短、倍率性能衰減；三是可擴(kuò)展生產(chǎn)與安全性能的協(xié)同制約。實(shí)驗(yàn)室制備 GPEs 常依賴精密調(diào)控的原位聚合、靜電紡絲等工藝，難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)化、低成本規(guī)?；a(chǎn)；同時(shí)，為提升阻燃性添加的阻燃劑易與電解質(zhì)組分相互作用，導(dǎo)致離子電導(dǎo)率下降。

圖1. 凝膠聚合物電解質(zhì)面臨的主要挑戰(zhàn)。

II 木質(zhì)纖維素的來源及類型

在全球雙碳目標(biāo)與儲能技術(shù)升級的雙重驅(qū)動下，尋找“高性能 + 可持續(xù)” 的電解質(zhì)支撐材料成為科研界焦點(diǎn)。而木質(zhì)纖維素——這一地球上儲量最豐富的可再生資源之一，正憑借其天然優(yōu)勢脫穎而出：獨(dú)特的三維多孔骨架結(jié)構(gòu)可構(gòu)建高效離子傳輸通道，豐富的表面功能基團(tuán)(如羥基、羧基)便于精準(zhǔn)化學(xué)調(diào)控，協(xié)同強(qiáng)化的機(jī)械性能能提升材料穩(wěn)定性，為解決傳統(tǒng)電解質(zhì)“性能-環(huán)保-成本” 難以兼顧的難題提供了天然方案。

作為由纖維素、半纖維素與木質(zhì)素構(gòu)成的天然生物質(zhì)復(fù)合體，木質(zhì)纖維素不僅能顯著提升離子導(dǎo)電率、循環(huán)穩(wěn)定性等核心電化學(xué)性能，助力儲能器件實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行；更能憑借100%可再生屬性，讓儲能設(shè)備在一定程度上擺脫對石化原料的依賴，賦予其優(yōu)異的環(huán)境可持續(xù)性，成為優(yōu)化電解質(zhì)綜合性能的關(guān)鍵支撐材料。更值得關(guān)注的是，木質(zhì)纖維素的原料來源堪稱“取之不盡”-木材加工剩余物、玉米秸稈、水稻稻殼等農(nóng)林廢棄物均可作為原料。這類廉價(jià)且易得的生物質(zhì)資源，不僅可以降低電解質(zhì)材料的制備成本，更讓“農(nóng)林廢棄物高值化”從概念走向現(xiàn)實(shí)，為生物質(zhì)資源開辟了一條從“田間地頭”到“儲能核心部件”的全新轉(zhuǎn)化路徑，推動儲能產(chǎn)業(yè)向“綠色低碳、循環(huán)高效”方向加速邁進(jìn)(圖2)。

圖2. 木質(zhì)纖維素來源、類型及物化特性。

木質(zhì)纖維素憑借天然形成的獨(dú)特化學(xué)結(jié)構(gòu)(如三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、豐富活性官能團(tuán))與可再生、可降解的可持續(xù)性特征，在高性能凝膠電解質(zhì)的開發(fā)中展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢，已成為該領(lǐng)域極具潛力的理想材料之一。木質(zhì)纖維素應(yīng)用于儲能裝置需滿足四大技術(shù)要求：(1)需具備高離子電導(dǎo)率，確保離子能在電解質(zhì)中快速遷移，保障儲能器件的充放電效率；(2)需擁有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度，以抵御器件組裝與循環(huán)過程中的機(jī)械應(yīng)力，避免電解質(zhì)破裂或變形；(3)需具備穩(wěn)定的電化學(xué)性能，在長期充放電循環(huán)中不與電極或其他組件發(fā)生副反應(yīng)，維持器件性能穩(wěn)定；(4)需實(shí)現(xiàn)與電極材料的良好兼容性，減少界面阻抗，提升離子在電解質(zhì)與電極間的傳輸效率(圖3)。

圖3. 木質(zhì)纖維素基凝膠聚合物電解質(zhì)的關(guān)鍵要求和設(shè)計(jì)策略。

IV 木質(zhì)纖維素基凝膠聚合物電解質(zhì)的應(yīng)用

近年來，圍繞木質(zhì)纖維素基凝膠聚合物電解質(zhì)的應(yīng)用逐漸增長，其在可持續(xù)能源存儲設(shè)備中的潛力被持續(xù)挖掘——從柔性電子設(shè)備的微型儲能單元，到新能源汽車的動力電池，木質(zhì)纖維素基凝膠聚合物電解質(zhì)的出現(xiàn)不僅打破了傳統(tǒng)電解質(zhì)對應(yīng)用場景的限制，更從形式創(chuàng)新、場景拓展和性能突破三個(gè)維度為能源存儲技術(shù)升級提供了全新可能，目前已在超級電容器、鋰離子電池(LIBs)、鈉離子電池(SIBs)、鋅離子電池(ZIBs)及太陽能電池等儲能領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用(圖4)。

值得關(guān)注的是，高效的離子傳輸能力是核心前提，需確保電解質(zhì)內(nèi)部形成連續(xù)通暢的離子通道，滿足不同器件對離子遷移速率的要求；其次，耐用的機(jī)械性能是應(yīng)用保障，無論是柔性電子的反復(fù)彎折，還是電池組裝時(shí)的擠壓應(yīng)力，聚合物電解質(zhì)需具備足夠的拉伸強(qiáng)度與韌性，避免結(jié)構(gòu)破裂導(dǎo)致器件失效；同時(shí)，穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)是壽命關(guān)鍵，在長期充放電循環(huán)中，需抵抗電解液腐蝕、電極活性物質(zhì)溶解等因素影響，不發(fā)生降解或變質(zhì)；最后，可靠的熱穩(wěn)定性是安全底線，需在高溫環(huán)境(如電池快充發(fā)熱、戶外暴曬)下保持形態(tài)與性能穩(wěn)定，杜絕因熱失控引發(fā)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

圖4. 木質(zhì)纖維素基凝膠聚合物電解質(zhì)的應(yīng)用。

V 總結(jié)和展望

文章也剖析了木質(zhì)纖維素基凝膠電解質(zhì)從基礎(chǔ)研究走向?qū)嶋H應(yīng)用所面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，特別是材料的多層級結(jié)構(gòu)(如孔隙網(wǎng)絡(luò)、官能團(tuán)分布、界面穩(wěn)定性)與制備策略之間的構(gòu)效關(guān)系。盡管已取得顯著進(jìn)展，但纖維素、半纖維素與木質(zhì)素三組分在復(fù)合過程中的微觀組裝機(jī)制，以及調(diào)控凝膠電解質(zhì)宏觀性能(離子電導(dǎo)率、機(jī)械強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性)的普適性規(guī)律與方法，仍是當(dāng)前研究的重點(diǎn)與前沿。為此，作者建議未來需借助先進(jìn)的原位表征技術(shù)與多尺度理論模擬等手段，進(jìn)一步闡明木質(zhì)纖維素凝膠電解質(zhì)從分子結(jié)構(gòu)到器件性能的傳遞機(jī)制，從而深入揭示“組成?–?結(jié)構(gòu)?–?性能?–?功能”之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)(圖5)。

圖5. 木質(zhì)纖維素基凝膠聚合物電解質(zhì)的未來展望。

楊紅彬

本文第一作者

天津科技大學(xué) 博士研究生

▍主要研究領(lǐng)域

主要研究方向?yàn)槔w維素基功能材料設(shè)計(jì)及應(yīng)用。

▍主要研究成果

楊紅彬，天津科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院2024級博士研究生，入選中國科協(xié)青年科技人才培育工程博士生專項(xiàng)計(jì)劃。主要研究方向?yàn)槔w維素功能材料設(shè)計(jì)及應(yīng)用。多次獲校一等獎學(xué)金，并連續(xù)四年被評為“優(yōu)秀研究生”，榮獲山東省大學(xué)生紙與造紙科技創(chuàng)新創(chuàng)意大賽一獎等。目前以第一作者在Nano-Micro-Letters、Journal of Cleaner Production、Chemical Engineering Journal等期刊發(fā)表高水平SCI論文5篇。獲授權(quán)/申請發(fā)明專利2項(xiàng)。

朱禮玉

本文通訊作者

天津科技大學(xué) 講師

▍主要研究領(lǐng)域

主要從事木質(zhì)纖維素化學(xué)、紙基功能材料和纖維素復(fù)合材料的設(shè)計(jì)及應(yīng)用。

▍主要研究成果

朱禮玉，天津科技大學(xué)輕工學(xué)院及生物基纖維材料全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室講師。主要從事木質(zhì)纖維素化學(xué)和紙基功能材料的相關(guān)研究。受邀擔(dān)任SCI一區(qū)TOP期刊《Nano-Micro Letters》、《Research》、《Rare Metals》和EI期刊《精細(xì)化工》青年編委。先后主持國家自然科學(xué)基金、天津市自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃子課題任務(wù)、全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金等項(xiàng)目。目前以第一/通訊作者在Energy & Environmental Science、Advanced Materials、Nano-Micro Letters、Advanced Functional Materials等期刊發(fā)表論文30余篇，申請/授權(quán)發(fā)明專利5項(xiàng)。研究成果獲2024年Wiley China Excellent Author Program、2024年中國商業(yè)聯(lián)合會科技進(jìn)步一等獎、2024年SGCE青年研究獎、2023年北京膜學(xué)會杰出青年成果獎等榮譽(yù)。

▍Email：liyuzhu@tust.edu.cn

徐婷

本文通訊作者

天津科技大學(xué) 教授

▍主要研究領(lǐng)域

研究方向包括紙基先進(jìn)功能材料、纖維素納米材料的可持續(xù)制備及先進(jìn)納米生物質(zhì)復(fù)合材料等。

▍主要研究成果

徐婷，天津科技大學(xué)輕工學(xué)院及生物基纖維材料全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授、博導(dǎo)、德國洪堡學(xué)者、國家高層次青年人才、中國科協(xié)青年人才托舉工程(中科協(xié)資助)入選者，中國未來女科學(xué)家計(jì)劃候選人。任《eScience》《The Innovation》《Nano-Micro Letters》《Carbon Energy》等SCI收錄中科院一區(qū)期刊及《精細(xì)化工》《中國造紙》等EI或中文核心期刊(青年)編委。研究方向包括紙基先進(jìn)功能材料、纖維素納米材料的可持續(xù)制備及先進(jìn)納米生物質(zhì)復(fù)合材料等。先后主持國家自然科學(xué)基金面上及青年項(xiàng)目、中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展項(xiàng)目、技術(shù)創(chuàng)新引導(dǎo)專項(xiàng)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃子課題、天津市自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、企業(yè)橫向項(xiàng)目等10余項(xiàng)。以第一/通訊作者在Energy & Environmental Science、Advanced Materials、Advanced Energy Materials等學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文40余篇(其中ESI高被引論文29篇、封面論文17篇)，申請/獲授權(quán)發(fā)明專利11項(xiàng)。連續(xù)入選美國斯坦福大學(xué)“全球前2%頂尖科學(xué)家榜單”，先后獲國家林草局科技進(jìn)步獎、中國商業(yè)聯(lián)合會科技進(jìn)步獎、美國工程化科學(xué)協(xié)會杰出研究員獎等。

▍Email：xuting@tust.edu.cn

劉坤

本文通訊作者

天津科技大學(xué) 講師

▍主要研究領(lǐng)域

主要研究方向?yàn)橹饕芯糠较驗(yàn)橹茲{造紙、木質(zhì)纖維素基柔性電子材料和導(dǎo)電復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

▍主要研究成果

劉坤，天津科技大學(xué)輕工科學(xué)與工程學(xué)院講師，主要研究方向?yàn)橹茲{造紙與木質(zhì)纖維素基柔性電子材料、導(dǎo)電復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與多功能應(yīng)用。兼任《Carbon Energy》等SCI收錄中科院一區(qū)期刊青年編委。以第一作者或共同第一作者在《Chemical Reviews》、《Nano-Micro Letters》、《Chemical Engineering Journal》等期刊發(fā)表SCI論文10余篇，其中封面論文6篇，ESI高被引論文12篇。多次獲得WILEY Top Downloaded Article及Top Cited Article獎。已申請國內(nèi)外發(fā)明專利5項(xiàng)。研究成果榮獲中國商業(yè)聯(lián)合會科技進(jìn)步一等獎，連續(xù)3年(2023-2025)入選美國斯坦福大學(xué)發(fā)布的全球前2%頂尖科學(xué)家榜單。

▍Email：kliu883@tust.edu.cn

司傳領(lǐng)

本文通訊作者

天津科技大學(xué) 教授

▍主要研究領(lǐng)域

主要從事制漿造紙及生物質(zhì)資源高值化利用方面的教學(xué)研究工作。

▍主要研究成果

司傳領(lǐng)，天津科技大學(xué)輕工學(xué)院及生物基纖維材料全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授、博導(dǎo)、全國青聯(lián)委員。入選國家高層次人才計(jì)劃、國家林草局科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才、天津市有突出貢獻(xiàn)專家、天津市特聘教授、天津市科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才等。入選ScholarGPS全球前0.05%頂尖科學(xué)家、科睿唯安“全球高被引科學(xué)家”、愛思唯爾 “中國高被引學(xué)者”、美國斯坦福大學(xué)“全球前2%頂尖科學(xué)家”終身科學(xué)影響力和年度科學(xué)影響力榜單、Bentham Ambassador等。主要從事制漿造紙及生物質(zhì)資源高值化利用方面的教學(xué)研究工作。以第一或通訊作者在Nature子刊、Chem. Soc. Rev.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mat.、Energ. Environ. Sci.等期刊發(fā)表論文200余篇(被引用>26000次，個(gè)人H指數(shù)85)，授權(quán)國內(nèi)外發(fā)明專利60余項(xiàng)。先后主持國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題、國家自然科學(xué)基金、教育部、人社部、天津市重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、企業(yè)委托課題，研究成果獲教育部霍英東教育基金會高等院校青年教師獎、國家林草局科技進(jìn)步獎、中國商業(yè)聯(lián)合會科技進(jìn)步獎、中國輕工聯(lián)合會科技進(jìn)步獎、中國產(chǎn)學(xué)研合作促進(jìn)會產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新成果獎等。

▍Email：sichli@tust.edu.cn

撰稿：原文作者

編輯：《納微快報(bào)(英文)》編輯部

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