由于便携式电气设备、电动汽车和电网储能等对储能的需求不断增长，因此电化学储能设备在过去几十年中引起了广泛关注，包括锂离子电池、钠离子电池、锌离子电池、金属空气电池、金属硫电池、超级电容器和太阳能电池。目前，液态电解质因其高离子电导率（室温下为10^?3–10^?2 S cm^?1）和与各种电极保持良好接触等优点在电化学储能设备中占主导地位。然而，液态电解质的安全问题，包括有机溶剂的易燃性、电解质泄漏和枝晶生长，仍然阻碍着电化学储能设备的大规模应用。聚合物电解质是一种很有前途的替代品，能够取代传统液态电解质，很容易地克服电池安全问题并抑制枝晶的生长。根据是否存在增塑剂，聚合物电解质可分为两类，即固态聚合物电解质和凝胶聚合物电解质。固态聚合物电解质是不含任何液体成分的无溶剂聚合物电解质，高分子量聚合物在其中溶解并溶剂化电解质盐。在过去的十几年里，固态聚合物电解质已广泛应用于全固态锂电池，特别是锂硫电池和锂空气电池。尽管固态聚合物电解质具有良好的机械性能和安全性，但是它们室温下的离子电导率（10^?8–10^?5 S cm^?1）却很低。所以，使用固态聚合物电解质的电池仍存在着可逆容量低和循环性能差的问题。在现阶段，固态聚合物电解质的广泛应用受到了限制。

  凝胶聚合物电解质是介于液态电解质和固态聚合物电解质之间的半固态电解质，由于结合了液态电解质和固态电解质的优点，其作为双功能电解质和隔膜受到越来越多关注。一般来说，凝胶聚合物电解质由聚合物基体、电解质盐和增塑剂组成，其中聚合物基体固定了大量的液态电解质。此外，聚合物基体赋予了凝胶聚合物电解质高的机械强度，离子传输主要发生在引入液体增塑剂后凝胶聚合物电解质的溶胀胶凝相或液相中。这种独特的结构可以降低聚合物基体的结晶含量，降低离子运动的势垒从而提高凝胶聚合物电解质的离子导电性。大多数凝胶聚合物电解质室温下的离子电导率接近10^?3 S cm^?1。因此，凝胶聚合物电解质克服了液态电解质机械强度低和固态电解质的离子电导率低的问题。此外，凝胶聚合物电解质通常具有更好的可加工性和灵活性，在柔性和可穿戴电子产品具有很好的前景。凝胶聚合物电解质的柔性和可变形性源于聚合物基体的性质，聚合物基体主要包括聚环氧乙烷（PEO）、聚乙烯醇（PVA）、聚丙烯腈（PAN）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚（偏氟乙烯-共-六氟丙烯）（PVDF-HFP）、聚丙烯酰胺（PAM）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等聚合物材料。然而，这些聚合物大多来源于不可再生的石油原料，非生物降解的石油基聚合物会造成白色污染，对人类健康和环境产生不利影响。

  随着科研人员对生态环境和可持续绿色化学的日益关注，生物聚合物可以用于制备凝胶聚合物电解质。生物聚合物，也称为天然聚合物，是从可再生资源（藻类、细菌、微生物、植物等）中获得的，主要包括多核苷酸、多肽和多糖。其中，多肽和多糖是制备生物质基凝胶聚合物电解质最常用的材料，如明胶、海藻酸盐、淀粉、琼脂、纤维素、壳聚糖等。近十年来，生物聚合物拥有可持续性、生物降解性、低成本、加工简单和无毒性等优点，因而生物质基凝胶聚合物电解质的大规模生产和在电化学储能设备中得到了快速发展。令人印象深刻的是，纤维素和壳聚糖是电化学储能设备中使用更广泛的生物聚合物。

图1 生物质基凝胶聚合物电解质的常用生物质及文章发表情况

  最近，华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室彭新文教授团队系统地概述了具有独特物理化学性质和智能化生物质基凝胶聚合物电解质在电化学储能设备中应用的最新进展，包括超级电容器、锂电池、钠电池、锌电池、镁电池、铝电池和太阳能电池。其次，还对生物质基凝胶聚合物电解质的交联方法和理化性能进行了全面的回顾和分析。重点介绍了功能化生物质基凝胶聚合物电解质的自修复、拉伸和耐热能力。最后，讨论了生物质基凝胶聚合物电解质在先进电化学储能装置中目前面临的挑战和未来的发展方向。

  首先回顾了一下凝胶聚合物电解质的发展历程，总结了聚合物基体的要求：(1) 优秀的盐解离能力；(2) 聚合物链的快速分段移动；(3) 低玻璃化温度；(4) 高分解温度；(5) 较宽的电化学窗口。凝胶聚合物电解质通常是通过聚合物的物理凝胶化、聚合物的化学交联和聚合物单体的化学聚合来制备，还可分为物理方法和化学方法。

  接下来详细介绍了储能领域中常用的生物聚合物的一般特征、分子结构、交联方式以及发展现状，主要包括纤维素、海藻酸盐、壳聚糖、蛋白质、淀粉、琼脂、卡拉胶、黄原胶、瓜尔胶、木质素等。

  随后，该综述对生物质基凝胶聚合物电解质在各个储能领域的应用进行了系统的介绍，如超级电容器、锂离子电池、锂金属电池、钠离子电池、钠金属电池、锌离子电池、锌空电池、锌离子混合电容器、镁电池、铝电池和太阳能电池。针对生物质基凝胶聚合物电解质存在的问题，总结了常用生物聚合物的调控策略。

图3生物质基凝胶聚合物电解质中常用的生物聚合物的基本化学结构以及交联方式

  （1） 室温下的离子电导率相对较低。生物聚合物丰富的极性基团可以通过路易斯酸碱相互作用和静电力促进盐的溶解，从而实现高离子导电性。此外，电解质离子沿聚合物链的热运动特征也是一个重要因素。因此，生物聚合物的分子量、长度、极性基团的类型和交联度会影响生物聚合物与电解质离子之间的相互作用。因为应该加深对生物聚合物特性和不同电解质离子之间的理论相互作用机制的理解。然而流动相仍然是传统的液态电解质，这在稳定性、安全性和可持续性方面仍存在不足。因此，寻找可持续和环保的替代品作为流动液相对于容纳生物聚合物是至关重要的。在这方面，可持续和安全的离子液体和快速离子导体是生物质基凝胶聚合物电解质的一种不错的选择。

  （2） 最大限度地提高生物质基凝胶聚合物电解质的机械性能，包括构建双网络结构、掺杂纳米颗粒和利用Hofmeister效应。此外，还需要开发变形过程中的理论模型方法，以加深不同部件上的应变分布。

  （3） 提高生物质基凝胶聚合物电解质的电化学/热稳定性和耐久性。可以合理设计聚合物基体、电解质盐和无机填料和设计合适的电解质-电极界面，以进一步提高热稳定性并拓宽电化学窗口。

  （4） 开发低成本、可扩展和环保的生物聚合物提取和生物质基凝胶聚合物电解质的生产工艺。一般来说，将生物聚合物转化为功能电解质包括溶液处理，包括真空辅助过滤、浇铸干燥、湿法纺丝和电纺丝、冷冻干燥等，从而产生昂贵的产品。因此，应进一步发展原位制备方法。

  （5） 开发具有新功能（如可拉伸性、温度敏感、自修复、变色）的智能设备，以进一步拓展其在下一代智能电子设备和植入生物医学设备中的应用。因此，还必须注意利用生物聚合物的化学结构和性能的优势，并充分了解其结构和性能之间的关系。

  原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0079642524000331