天津科大刘苇/侯庆喜教授团队 Nano Energy综述：木质纤维生物质材料在高性能水系锌离子电池中的应用进展

2024-04-10 来源：高分子科技

水系锌离子电池（Aqueous zinc-ion batteries，AZIBs）具有锌资源丰富、成本低廉、环境友好、理论容量高（820 mAh g^–1）以及过电位较低等优势，受到了日益广泛的关注。然而，锌金属电极存在着枝晶、副反应以及析氢等问题，大大缩短了电池的使用寿命，阻碍了其大规模工业化应用的进程。木质纤维生物质材料（纤维素、半纤维素和木质素）具有资源丰富、绿色、可再生、可生物降解、成本低廉、环境友好等诸多优点，已经成为解决上述电池问题的有效方案之一。本文围绕木质纤维生物质材料在高性能水系锌离子电池中的最新研究进展进行了系统、全面的分析和阐述，并提出了未来的发展方向。

本文总结了木质纤维生物质材料在水系锌离子电池中的最新研究进展，主要包括：（1）AZIBs的优势和面临的挑战，提出了通过木质纤维生物质材料提高AZIBs性能的策略；（2）木质纤维生物质材料在水系锌离子电池的电极、电解质和隔膜中的最新研究进展；（3）木质纤维生物质材料在水系锌离子电池应用中面临的机遇和挑战，提出了未来的发展方向。

一、AZIBs的优势及面临的挑战

当前，AZIBs具有价格低廉，高理论容量、在含水电解质中稳定性高以及多电子转移等优点（图1），已经成为储能领域研究的热点和重点。然而，AZIBs也面临锌枝晶、析氢和副反应等诸多问题和挑战（图2）。木质纤维生物质储量丰富、可再生、可生物降解，且分子结构中富含大量的羟基，且物化性质稳定，在解决AZIBs所面临的各种问题方面具有巨大的潜力和应用前景。

图1.电化学储能系统中常见金属阳极的相对原子质量、标准电势、全球年产量、价格和比容量的对比情况

图2. 锌枝晶、析氢、腐蚀和钝化示意图及其相互关系

二、利用木质纤维生物质材料提高AZIB性能的策略

总结了通过引入木质纤维生物质材料提高AZIBs性能的一些策略，主要集中在四个方面：锌阳极、阴极、电解质和隔膜的优化。木质纤维生物质材料分子链上丰富的羟基官能团不仅能够与水分子结合形成结合水，减少自由水参与的副反应，还能够与Zn²⁺结合，加速Zn²⁺沉积动力学。同时，其天然的分级和多孔结构能够充当分子筛的作用，进而促进Zn²⁺的均匀沉积。

三、木质纤维生物质材料在AZIBs中的应用

对木质纤维生物质材料在AZIBs中的主要应用（包括电极、电解质和隔膜）进行了分类，并从制备、机理和性能方面总结了通过引入木质纤维生物质材料（纤维素、木质素和半纤维素）来提高AZIBs性能的最新进展，如图3所示。

图3. 木质纤维材料在AZIBs中的先进应用总结

首先，总结了纤维素材料在AZIBs领域中的最新研究进展。纤维素特殊的分子结构赋予了它一系列优异的性质，如机械强度高、易于化学改性、亲水性好、电化学窗口宽，以及纤维素本身固有的生物相容性和可降解性。这些特性使得纤维素在AZIBs中不仅能够提供机械骨架，防止锌枝晶的生长，抵抗电极腐蚀，而且有利于提高离子导电性，因此，纤维素从众多材料中脱颖而出。截止目前，纤维素在AZIBs的电极、电解质和隔膜中都有大量的应用和报道。值得指出的时，当纤维素应用于AZIBs的凝胶电解质时（图4），不仅能够为电解质提供机械强度来抑制锌枝晶的生长，而且其分子链上丰富的羟基能够与水结合而减少自由水引发的副反应。图5展示了纤维素在凝胶电解质中的作用情况。

图4. 纤维素在AZIBs凝胶电解质中的应用

图5. 纤维素在AZIBs凝胶电解质中的作用

其次，总结了木质素在AZIBs中的最新应用进展。木质素的高碳含量使其在燃料和化学品应用方面展现出了巨大的潜力。更重要的是，木质素已成为一种储量丰富、环保且性能优异的前驱体，可用于生产具有成本效益的碳基电极材料。通过利用木质素，他们能够生产出具有分级多孔碳和纳米纤维的电极，而这些电极中的孔隙率则有助于离子和其他物质的快速传输。此外，木质素的芳香骨架为其提供了结构刚性，并导致材料具有更高的热稳定性。木质素独特的结构特征使得木质素基碳材料成为了一种出色的储能材料，这为开发具有成本效益和可持续性的AZIBs奠定了坚实的基础。

图6. 木质素在AZIBs电极材料中的应用

第三，总结了半纤维素在AZIBs中的最新应用情况（图7）。目前，半纤维素在AZIBs中的应用仍然十分有限。然而，作为木质纤维生物质材料的重要组成部分，半纤维素一直受到人们的广泛关注。由于半纤维素具有丰富的羟基，能够与水产生氢键而被用于AZIBs。此外，从半纤维素中提取的糖类也逐渐应用于AZIBs。这些研究将为半纤维素在AZIBs中的应用提供更多的可能。

图7. 半纤维素在AZIBs中的应用

四、结论与展望

本文全面总结了基于木质纤维生物质材料在水系锌离子电池（电极、电解质和隔膜）中的最新研究进展，并讨论了如何更好的使用这些材料并发挥其优势，以达到提升水系锌离子电池性能的策略。由于木质纤维生物质材料优异的机械强度、亲水性和可加工性，这为促进了其AZIBs中的应用前景，特别是在极端条件下有望发挥更大的作用。木质纤维生物质材料来源于天然植物，不仅易于获得，储量丰富，而且可生物降解，可再生，完全符合可持续发展的原则，有助于我国早日实现碳达峰和碳中和，实现社会的可持续发展。尽管木质纤维生物质材料在AZIBs的应用已经显示出了巨大的前景和优势，但其固有的缺点，如导电性差、分散性及改性过程复杂等方面仍然限制了其大规模的应用。因此，将木质纤维生物质与其他材料相结合，以及对其进一步改性与加工是十分就显得尤其必要。此外，木质纤维生物质材料的的组分分离和改性面临着一定的问题，如果能将木材等生物质原料不经过组分的分离，而直接应用于水系锌离子电池将显著地降低成本，因此，有必要针对该策略进行深入的开发和研究。最后，关于木质纤维生物质材料在AZIBs的作用机理方面的研究仍有不足，因此在反应动力学和热力学上做进一步的研究有助于促进木质纤维材料在水系锌离子电池中的推广和应用。
更多信息请参见Nano Energy期刊论文 “Advances in application of sustainable lignocellulosic materials for high-performance aqueous zinc-ion batteries”。天津科技大学研究生黄毅为论文第一作者，天津科技大学刘苇教授、宁波工程学院/宁波材料所林陈晓副教授、广西大学聂双喜教授为论文共同通讯作者，天津科技大学为第一完成单位。该工作得到了国家自然科学基金（32071715）、天津市自然科学基金重点项目（22JCZDJC00560）和天津市制浆造纸重点实验室开放基金（202002）的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109416

Yi Huang, Wei Liu*, Chenxiao Lin*, Qingxi Hou, Shuangxi Nie*. Advances in application of sustainable lignocellulosic materials for high-performance aqueous zinc-ion batteries. Nano Energy, 2024, 123, 109416.

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（责任编辑：xu）

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