天津科大司传领/徐婷等综述：用于下一代能源储存的木质纤维素基凝胶聚合物电解质

研究背景

在全球能源结构向可再生能源转型的进程中，储能装置作为平衡能源供需、保障电网稳定的核心组件，其性能升级与可持续发展需求日益迫切。近年来，开发兼具高能量密度与环境可持续性的储能技术，已成为电化学储能领域的核心研究目标—这一目标不仅要求储能装置能实现高容量、长寿命的能量存储与释放，还需在材料来源、制备过程及器件报废全生命周期中降低对化石资源的依赖，契合“双碳”战略下的绿色发展需求。

Lignocellulose-mediated gel polymer electrolytes toward next generation energy storage

Hongbin Yang, Liyu Zhu*, Wei Li, Yinjiao Tang, Xiaomin Li, Ting Xu*, Kun Liu*, Chuanling Si*

Nano-Micro Letters (2026)18: 84

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01927-6

本文亮点

1. 总结了木质纤维素材料的来源、类型、物化特性。

2. 总结了木质纤维素材料在构建凝胶聚合物电解质的设计原则和作用机制。

3. 介绍了未来木质纤维素基凝胶聚合物电解质开发所面临的挑战和机遇。

内容简介

当前主流储能装置(如锂离子电池、锌离子电池)中广泛使用的传统液态电解质，正成为制约其性能突破与安全应用的关键瓶颈。木质纤维素基凝胶聚合物电解质(L-GPEs) 凭借其天然优势脱颖而出，成为解决传统液态电解质痛点的重要替代方向。这类电解质以木质纤维素(主要由纤维素、半纤维素和木质素三大组分构成)为聚合物基体，通过物理或化学交联形成三维网络结构，包容液态电解质或离子液体形成凝胶状态，其核心优势体现在三个维度：优异的热稳定性、良好的电解质润湿性和天然可再生特性。鉴于木质纤维素基凝胶聚合物电解质的快速发展，天津科技大学司传领/朱礼玉/刘坤/徐婷等人全面总结和分析了木质纤维素材料在凝胶聚合物电解质中的关键性能调控策略及设计原则，系统阐释了木质纤维素基凝胶聚合物电解质的性能特征与设计原则之间的内在联系，重点梳理和讨论了木质纤维素基凝胶聚合物电解质在锂离子电池、钠离子电池、锌离子电池、超级电容器及太阳能电池中的应用进展，剖析了木质纤维素基凝胶电解质从基础研究走向实际应用所面临的机遇与挑战。

图文导读

I 凝胶聚合物电解质材料面临的主要挑战

与传统液态电解质相比，GPEs以聚合物网络为刚性基体，包容液态电解质或离子液体形成凝胶状态—— 既完整保留了液态电解质优异的离子传输能力，确保储能器件的高倍率性能；又兼具聚合物材料良好的柔韧性与可成型性，紧密贴合电极表面提升电解质与电极的界面相容性。目前，GPEs已在锂离子电池、超级电容器、固态燃料电池等各类储能设备中展现出广阔应用前景，成为柔性电子、新能源汽车、大规模储能等领域的关键材料突破口。

然而，尽管 GPEs 在性能与安全性上实现了对传统电解质的跨越式改进，其从实验室走向产业化应用仍面临三重亟待突破的核心挑战，从性能、应用及规模化生产多个维度制约着发展进程(图1)：一是离子电导率的温度依赖瓶颈。现有 GPEs 的离子传输效率对温度变化敏感，室温下电导率难以媲美液态电解质，低温环境下聚合物链段蠕动减缓会导致电导率骤降，高温下液态组分挥发又可能引发性能波动，难以满足储能设备在极端环境(如寒冷地区、高温工况)的稳定运行需求；二是界面相容性的动态劣化难题。虽然 GPEs 初始阶段能与电极紧密贴合，但长期充放电过程中，电极体积膨胀、活性物质溶解及副反应产物堆积，会导致电解质-电极界面逐渐剥离、阻抗升高，最终引发器件循环寿命缩短、倍率性能衰减；三是可扩展生产与安全性能的协同制约。实验室制备 GPEs 常依赖精密调控的原位聚合、静电纺丝等工艺，难以实现连续化、低成本规模化生产；同时，为提升阻燃性添加的阻燃剂易与电解质组分相互作用，导致离子电导率下降。

图1. 凝胶聚合物电解质面临的主要挑战。

II 木质纤维素的来源及类型

在全球双碳目标与储能技术升级的双重驱动下，寻找“高性能 + 可持续” 的电解质支撑材料成为科研界焦点。而木质纤维素——这一地球上储量最丰富的可再生资源之一，正凭借其天然优势脱颖而出：独特的三维多孔骨架结构可构建高效离子传输通道，丰富的表面功能基团(如羟基、羧基)便于精准化学调控，协同强化的机械性能能提升材料稳定性，为解决传统电解质“性能-环保-成本” 难以兼顾的难题提供了天然方案。

作为由纤维素、半纤维素与木质素构成的天然生物质复合体，木质纤维素不仅能显著提升离子导电率、循环稳定性等核心电化学性能，助力储能器件实现高效运行；更能凭借100%可再生属性，让储能设备在一定程度上摆脱对石化原料的依赖，赋予其优异的环境可持续性，成为优化电解质综合性能的关键支撑材料。更值得关注的是，木质纤维素的原料来源堪称“取之不尽”-木材加工剩余物、玉米秸秆、水稻稻壳等农林废弃物均可作为原料。这类廉价且易得的生物质资源，不仅可以降低电解质材料的制备成本，更让“农林废弃物高值化”从概念走向现实，为生物质资源开辟了一条从“田间地头”到“储能核心部件”的全新转化路径，推动储能产业向“绿色低碳、循环高效”方向加速迈进(图2)。

图2. 木质纤维素来源、类型及物化特性。

III 木质纤维素基凝胶聚合物电解质的关键需求和制备策略

木质纤维素凭借天然形成的独特化学结构(如三维交联网络、丰富活性官能团)与可再生、可降解的可持续性特征，在高性能凝胶电解质的开发中展现出独特的优势，已成为该领域极具潜力的理想材料之一。木质纤维素应用于储能装置需满足四大技术要求：(1)需具备高离子电导率，确保离子能在电解质中快速迁移，保障储能器件的充放电效率；(2)需拥有优异的机械强度，以抵御器件组装与循环过程中的机械应力，避免电解质破裂或变形；(3)需具备稳定的电化学性能，在长期充放电循环中不与电极或其他组件发生副反应，维持器件性能稳定；(4)需实现与电极材料的良好兼容性，减少界面阻抗，提升离子在电解质与电极间的传输效率(图3)。

图3. 木质纤维素基凝胶聚合物电解质的关键要求和设计策略。

IV 木质纤维素基凝胶聚合物电解质的应用

近年来，围绕木质纤维素基凝胶聚合物电解质的应用逐渐增长，其在可持续能源存储设备中的潜力被持续挖掘——从柔性电子设备的微型储能单元，到新能源汽车的动力电池，木质纤维素基凝胶聚合物电解质的出现不仅打破了传统电解质对应用场景的限制，更从形式创新、场景拓展和性能突破三个维度为能源存储技术升级提供了全新可能，目前已在超级电容器、锂离子电池(LIBs)、钠离子电池(SIBs)、锌离子电池(ZIBs)及太阳能电池等储能领域中实现应用(图4)。

值得关注的是，高效的离子传输能力是核心前提，需确保电解质内部形成连续通畅的离子通道，满足不同器件对离子迁移速率的要求；其次，耐用的机械性能是应用保障，无论是柔性电子的反复弯折，还是电池组装时的挤压应力，聚合物电解质需具备足够的拉伸强度与韧性，避免结构破裂导致器件失效；同时，稳定的化学结构是寿命关键，在长期充放电循环中，需抵抗电解液腐蚀、电极活性物质溶解等因素影响，不发生降解或变质；最后，可靠的热稳定性是安全底线，需在高温环境(如电池快充发热、户外暴晒)下保持形态与性能稳定，杜绝因热失控引发的安全风险。

图4. 木质纤维素基凝胶聚合物电解质的应用。

V 总结和展望

文章也剖析了木质纤维素基凝胶电解质从基础研究走向实际应用所面临的机遇与挑战，特别是材料的多层级结构(如孔隙网络、官能团分布、界面稳定性)与制备策略之间的构效关系。尽管已取得显著进展，但纤维素、半纤维素与木质素三组分在复合过程中的微观组装机制，以及调控凝胶电解质宏观性能(离子电导率、机械强度、热稳定性)的普适性规律与方法，仍是当前研究的重点与前沿。为此，作者建议未来需借助先进的原位表征技术与多尺度理论模拟等手段，进一步阐明木质纤维素凝胶电解质从分子结构到器件性能的传递机制，从而深入揭示“组成 – 结构 – 性能 – 功能”之间的内在关联(图5)。

图5. 木质纤维素基凝胶聚合物电解质的未来展望。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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