近日，武汉大学周金平教授团队和贵州大学谢海波教授团队合作撰写的AMR述评文章“Solvent-to-Material Engineering of Cellulose-Based Electrolytes toward Stable Aqueous Zinc Batteries”在线发表。文章系统总结课题组前期在纤维素绿色溶剂（包括碱/尿素水溶液及CO₂基溶解体系）方面的研究成果，阐明其组成特点与溶解机制。随后讨论如何通过溶剂工程策略实现纤维素高效溶解与功能化修饰的方法与原理，并探讨以此制备的纤维素基电解质在水系锌电池中的应用现状、面临挑战及未来发展方向。

关键词：纤维素、水系锌电池、电解质、溶剂工程

原文提要：The "solvent-to-material" engineering strategy facilitates the simultaneous dissolution and functionalization of cellulose, enabling the design of high-performance electrolytes for stable aqueous zinc batteries.

01 文章内容简介

水系锌电池凭借其高理论比容量、安全性、环境友好性和低加工成本等优势，在新一代储能技术中展现出巨大潜力。其中，以纤维素为代表的天然高分子材料，因其储量丰富和可降解等特性，在推动水系锌电池可持续发展方面具有重要价值。然而，该技术体系仍面临诸多挑战：一方面，锌负极在循环过程中易出现枝晶生长、界面腐蚀及析氢副反应等问题，显著降低电池循环寿命；另一方面，传统纤维素基材料受限于机械强度不足与功能单一，难以构建稳定电极/电解质界面，从而无法有效解决锌负极中存在的问题。

基于此，周金平教授团队与谢海波教授团队系统总结了近年来在纤维素基电解质的设计与合成方面的研究工作。文章首先详细介绍了课题组前期开发的两种新型纤维素溶剂体系，即碱/尿素水溶液与CO₂基溶解体系，并阐明了其组成特点与溶解机制。在此基础上，作者以这两种溶剂作为纤维素的溶解介质与反应介质，构建了多种结构可控、功能可调的纤维素电解质，具体包括三类网络结构设计策略（如柔性-刚性双网络结构、物理-化学双交联策略以及表面涂层工程）以及多种官能团修饰方法（如在纤维素分子链上引入负电荷、正电荷、两性基团及其他极性官能团），并揭示了以上结构设计与功能修饰对纤维素电解质力学性能和理化性质的调控机制与构效关系。进一步地，作者深入探讨了纤维素基电解质在水系锌电池中的电化学性能与作用机理。最后，总结了当前纤维素基电解质在水系锌电池应用中仍面临的关键挑战，并指出未来可在新型纤维素溶剂开发、超薄纤维素电解质结构设计及规模化高效制备技术等方向寻求突破。

02 AMR 您选择该领域的初心是？

作者团队：

水系锌电池凭借其本征安全性、低成本及环境友好性等优势，被视为极具潜力的大规模储能技术。然而，锌负极存在着锌枝晶生长和界面副反应等问题，严重制约了其循环寿命和实际应用。纤维素基电解质因其丰富的羟基官能团、多层次结构以及来源广泛、绿色可降解等特性，展现出独特优势。其可在一定程度上改善电极/电解质界面稳定性，有效抑制锌枝晶生长和副反应发生，从而提升水系锌电池的电化学性能。依托课题组在新型纤维素溶剂（如碱/尿素水溶液、CO₂基溶解体系）方面的长期积累，我们团队提出一种基于溶剂工程的纤维素功能化新策略，旨在同时实现纤维素的高效溶解与结构可控修饰。同时，系统解析不同制备路径下纤维素材料的"结构-性能"构效关系，揭示其在电池体系中的离子传输机制与界面作用规律，最终为构建高性能水系锌电池体系提供材料基础与理论支撑。

作者简介

武汉大学化学与分子科学学院教授 周金平

周金平，武汉大学化学与分子科学学院教授，博士毕业于武汉大学化学与分子科学学院。主要研究方向包括纤维素绿色溶解、改性及其功能材料开发。

贵州大学材料与冶金学院教授 谢海波

谢海波，贵州大学材料与冶金学院教授，博士毕业于中国科学院长春应用化学研究所。主要研究方向包括天然高分子溶解新原理、新技术及相应功能材料的构建。

武汉大学化学与分子科学学院博士后 张皓东

张皓东，武汉大学化学与分子科学学院博士后，博士毕业于武汉大学化学与分子科学学院。主要研究方向包括高性能纤维素基电解质的设计、合成及其在电化学储能中的应用研究。

贵州大学材料与冶金学院 陈奎

陈奎，贵州大学材料与冶金学院，博士毕业于贵州大学材料与冶金学院。主要研究方向包括高性能纤维素基电解质的设计、合成及其在电化学储能中的应用研究。

贵州大学材料与冶金学院副教授 徐芹芹

徐芹芹，贵州大学材料与冶金学院副教授，博士毕业于瑞士伯尔尼大学。主要研究方向包括二次电池关键材料的设计开发，以及基于生物质转化技术的可持续能源材料研究。

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Solvent-to-Material Engineering of Cellulose-Based Electrolytes toward Stable Aqueous Zinc Batteries

Haodong Zhang, Kui Chen, Qinqin Xu, Haibo Xie*, and Jinping Zhou*

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.5c00153

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