天津科技大学在木质纤维素基凝胶聚合物电解质领域取得重要研究进展

近日，天津科技大学生物基纤维材料全国重点实验室、轻工科学与工程学院司传领教授团队在木质纤维素基凝胶聚合物电解质领域取得重要研究进展。团队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思路之间的内在联系，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。相关成果以题为“Lignocellulose-mediated gel polymer electrolytes toward next generation energy storage”的综述性论文，于2025年11月发表在《Nano-Micro Letters》第18卷第1期。轻工科学与工程学院2024级博士研究生杨红彬为该论文第一作者，司传领、朱礼玉、徐婷以及刘坤为通讯作者，天津科技大学为唯一作者单位。

近年来，开发兼具高能量密度与可持续性的储能装置已成为众多研究者追求的目标。然而，传统液态电解质存在易泄漏、易燃、在充放电过程中易引发不可控枝晶生长的问题，导致电化学性能衰减及安全隐患。在此背景下，基于木质纤维素（纤维素、半纤维素和木质素）的凝胶聚合物电解质（GPEs）因其优异的热稳定性、良好的电解质润湿性及天然可再生特性而受到广泛关注。

图1. 木质纤维素的来源、类型及物化结构示意图

作为地球上储量最丰富的可再生资源之一，木质纤维素凭借其独特的三维多孔骨架结构、丰富的表面功能基团及可精准调控的化学性质，为构建高效离子传输通道与强化材料机械性能提供了得天独厚的优势。这种由纤维素、半纤维素及木质素三者协同构成的天然生物质材料，不仅能显著提升凝胶电解质的离子传导率、循环稳定性等核心电化学性能，更可借助自身的可再生属性赋予储能器件优异的环境可持续性，已然成为优化电解质综合性能的关键支撑材料。木质纤维素基凝胶电解质的性能在很大程度上取决于原始生物质的本征特性，其中原料的微观结构特征、组分分布及表面官能团的种类等因素也会直接影响所形成聚合物电解质材料的离子传导效率、机械强度、电极界面相容性及热稳定性等关键性能指标（图1）。

图2. 木质纤维素基凝胶聚合物电解质的未来发展展望

最后，文章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、不同来源木质纤维素在结构和组分上的差异、复合界面的微观组装机制、凝胶电解质宏观性能的调控原则与策略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”之间的内在关联机制。

近年来，学校在造纸纤维原料及农林生物质高值利用领域持续开展研究，成果先后在Nature子刊、Chemical Reviews、Chemical Society Reviews、Energy & Environmental Science、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Materials等权威期刊发表。