近日，天津科技大学刘苇教授团队与武汉大学陈朝吉教授团队联合在国际知名期刊《ScienceBulletin》上发表题为《Multiple hydrogen-bond networks enable bio-nanocomposite gel electrolytes with low water activity and anti-freezing ability for ultra-stable aqueous zinc-ion batteries》的研究论文。文章第一作者为江闯、刘圳杰，文章通讯作者为刘苇教授和陈朝吉教授。文章通讯单位为天津科技大学生物基纤维材料全国重点实验室、武汉大学资源与环境科学学院。

  研究团队将木质素基碳量子点和纤维素纳米纤丝引入聚丙烯酰胺凝胶基质中，构筑了多组分协同的“多重氢键网络”。该策略将大量水分子之间的强氢键转化为水分子与凝胶电解质官能团之间的弱氢键，极大降低了自由水的活性，赋予了凝胶电解质优异的抗冻性和循环稳定性。基于该凝胶电解质组装的锌对称电池在室温下可稳定循环超过10000小时，在?30 ℃仍运行4000小时以上；全电池在?30 ℃下循环15000次后容量保持率仍达84.9%。该工作为利用生物质基纳米材料调控水分子活性、开发宽温域超长寿命水系锌离子电池提供了新思路。

  水系锌离子电池因高安全、低成本、环境友好等优势，在大规模储能和柔性电子领域展现出巨大潜力。但电解液体系长期存在两大关键挑战：一是水分子之间强氢键作用导致溶剂化动力学缓慢，电解液低温下易结冰，限制电池在低温环境下的运行；二是高活性的自由水会诱发锌负极析氢、腐蚀等副反应，并加剧锌离子不均匀沉积催生锌枝晶，从而缩短电池循环寿命。作为连接离子传输与电极界面稳定的核心组分，凝胶电解质被认为是破解上述关键挑战的主流方向。然而，现有凝胶电解质大多仅依靠单一方式调控氢键结构，难以同步实现高离子传导、强抗冻能力、优异机械性能与长循环稳定性。

  为有效解决上述问题，天津科技大学刘苇教授团队与武汉大学陈朝吉教授团队提出了“多重氢键网络”策略，将木质素基碳量子点（CQDs）和纤维素纳米纤丝（CNFs）的复合物（CQD-CNF）与聚丙烯酰胺网络有机结合，构筑了兼具多类型氢键与多尺度空间结构的生物纳米复合凝胶电解质。一方面，CQD-CNF复合物表面丰富的极性基团与水分子形成大量弱氢键，削弱水分子间强氢键作用，降低水分子活性，有效抑制析氢、腐蚀等水诱导副反应，实现了优异抗冻特性；另一方面，CQDs、CNFs与凝胶骨架在空间上协同构建了多尺度结构，赋予了凝胶优异的力学性能和快速、均匀的离子传输通道。由此获得的CQD-CNF-PAM凝胶电解质兼具高导电、高韧性、耐低温和长寿命等特点，可支撑水系锌离子电池超稳定运行（图1）。

图 1 CQD-CNF-PAM凝胶电解质的合成、结构和基本性能

图 2 凝胶电解质的机械性能和孔结构

  PAM、CNF-PAM和CQD-CNF-PAM三种凝胶的力学性能对比（图2）表明，CQD-CNF-PAM凝胶具有显著优势。其拉伸和压缩性能均明显优于PAM凝胶，并且在多次压缩循环后仍能保持优异的强度。SEM分析显示，CQD-CNF-PAM凝胶具有均匀的分级多孔结构，其平均孔径远小于PAM和CNF-PAM凝胶。CQD-CNF复合物的引入有效优化了凝胶的孔结构，从而赋予了材料出色的力学性能和结构稳定性。

图 3 凝胶电解质的氢键网络表征

  采用FTIR分峰拟合、LF-NMR和分子动力学模拟，系统表征了凝胶电解质内部的氢键网络（图3）。FTIR分峰拟合结果显示，CQD-CNF-PAM凝胶中弱氢键占比为50.76%，强氢键占比仅为4.38%。LF-NMR结果进一步证实自由水含量显著降低。分子动力学模拟结果表明，CQD-CNF复合物能够破坏水分子间氢键并有效结合自由水。界面氢键密度的定量分析显示，CQD-CNF/PAM界面氢键密度最高，CQD-CNF/H₂O界面次之。以上结果共同证实了多重氢键网络的成功构建及其对水分子活性的有效抑制。

图 4 Zn²⁺输运和沉积行为机理。

  DFT计算表明，CQDs表面的极性官能团对Zn²⁺表现出极强的亲和力，其结合能远高于Zn基底，说明CQDs具备引导Zn²⁺传输的潜力。相较于CNF-PAM和PAM，CQD-CNF-PAM凝胶电解质具有更高的Zn²⁺迁移数和更低的界面反应能垒。COMSOL模拟进一步显示，该凝胶电解质可在电极表面形成均匀的电场和离子浓度分布，有效缓解“尖端效应”。Tafel曲线和CA曲线分别证实了其优异的抗腐蚀能力和快速的3D扩散动力学，从机理上阐释了无枝晶锌沉积的形成原因（图4）。

图 5 锌对称电池与半电池性能。

  Zn||Zn对称电池测试结果表明，CQD?CNF?PAM凝胶电解质在倍率性能测试中始终维持低且稳定的过电位。在0.5 mA cm^?2、0.5 mAh cm^?2的电流密度下，室温循环寿命超过10000小时，且在?30 °C低温下仍可稳定运行4000小时以上，远优于PAM凝胶电解质（图5）。循环后锌电极表面光滑致密。此外，Zn||Cu半电池展现出更高的平均库仑效率，表明CQD?CNF?PAM凝胶电解质有效促进了高度可逆的锌沉积/剥离过程。

图 6 全电池与软包电池性能。

  Zn||PANI全电池测试结果表明，CQD?CNF?PAM凝胶电解质在室温及低温下均表现出优异的倍率性能和循环稳定性。在1 A g^?1电流密度下，室温循环4000次后容量仍达102.2 mAh g^?1；?30 °C下循环15000次后容量保持88.6 mAh g^?1，容量保持率高达84.9%（图6）。自放电测试结果进一步证实了其优异的容量保持特性。软包电池在0°?180°弯折范围内电压输出稳定，且经受锤击、针刺、剪断等极端机械损伤以及冷冻处理后，仍能持续为LED灯阵供电，充分证实了该凝胶电解质的可靠性和实用性。

  综上所述，该凝胶电解质以木质素、纤维素等可再生生物质为核心原料，兼具环境友好性和规模化生产潜力。相较于依赖高成本、难回收添加剂的传统液态电解液，本工作所设计的一体化凝胶电解质凭借多重氢键网络，集优异抗冻性能、高电导率和长循环稳定性于一体，为柔性电子、可穿戴设备及极端环境储能提供了一种绿色可持续的解决方案。该研究不仅为生物质纳米材料调控水活性提供了新思路，也为宽温域、超长寿命水系锌离子电池的发展奠定了技术基础。

  文章链接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2026.06.034