近日，湖南大学汪朝晖教授团队联合武汉大学陈朝吉教授团队通过将天然纤维素从路易斯碱电子给体转变为锆配位路易斯酸性网络，制备了新型路易斯酸性纤维素粘结剂（ZNF）。ZNF粘接剂不仅通过丰富的缺电子Zr⁴⁺位点强配位锚定路易斯碱性多碘化物离子，催化加速碘氧化还原动力学，其Zr⁴⁺位点交联网络也能解决水分子引发的纤维素水致溶胀导致电极结构失稳问题。采用ZNF粘结剂制备的自支撑纸基碘电极在5 A/g下循环18000次具有89.6%的容量保持率，有效抑制了多碘化物的穿梭效应并保护了锌金属负极。本工作为水系电池生物质粘结剂的分子结构设计提供了一定的借鉴意义。

  相关研究以《Lewis-acidic coordination in cellulose biopolymer binders for high-rate, shuttle-free aqueous zinc-iodine batteries》为题发表在国际知名期刊《Science Bulletin》上。文章第一作者为袁紫婵、许荣富和陈宁昕，文章通讯作者为汪朝晖教授和陈朝吉教授。文章通讯单位为湖南大学材料科学与工程学院、武汉大学资源与环境科学学院。

  水系锌碘电池因高理论能量密度和本征安全性备受关注，但碘正极面临两大瓶颈：一是多碘化物的严重穿梭效应导致活性物质持续流失，二是碘转化反应动力学迟缓，两者共同制约着电池的倍率性能和循环寿命。作为电极中直接接触活性碘物种并维系电极结构的关键组分，粘结剂为同时抑制多碘化物穿梭、调控碘转化动力学和稳定电极结构提供了可行路径。然而，传统极性粘结剂（如纳米纤维素）虽然被广泛探索用于抑制穿梭效应，但从路易斯酸碱角度看，这类粘结剂本质上是路易斯碱，其富电子羟基仅能通过弱氢键/卤键吸附碘物种，结合力弱、可逆且易被水分子破坏，致使多碘化物在有效转化前即已逃逸。更为棘手的是，纤维素固有的强亲水性会引发严重的电极水致溶胀，破坏结构完整性——这一长期被忽视的难题，成为纤维素基碘正极难以实现长期稳定循环的核心障碍。

  为了解决上述问题，湖南大学汪朝晖团队与武汉大学陈朝吉团队提出了一种路易斯酸性表面工程策略，将天然纳米纤维素（CNF）从路易斯碱电子给体转型为锆配位的路易斯酸网络（ZNF）。ZNF粘结剂在分子层面实现了双重突破：其一，利用丰富的缺电子Zr⁴⁺位点，通过强路易斯酸碱配位作用，不可逆地锚定多碘离子并催化其快速氧化还原转化，从根源上杜绝穿梭效应；其二，锆交联形成的致密保形网络有效屏蔽羟基、抑制水致溶胀，构筑出兼具结构完整性与高效电荷传输的稳定电极界面。这一“变碱为酸”的粘结剂化学改性策略，实现了高倍率、无穿梭、超长寿命的纤维素基水系锌碘电池（如图1）。

图 1：路易斯酸性纤维素基粘结剂提升碘正极性能的机制示意图。

图 2：纤维素基粘结剂的路易斯酸性表征及其对碘物种的结合能力测试。

  如图2，对改性前后的纤维素进行了结构表征与模拟计算分析，结果表明ZNF利用锆离子配位改性从根本上重塑了纤维素的表面化学特性，显著增强了材料的路易斯酸性，使其对碘物种产生了极强的吸附与锚定能力。这种强相互作用不仅有效抑制了多碘离子的溶解与穿梭，也为电极内部快速、可逆的氧化还原反应提供了有利条件，是实现高性能锌碘电池长循环稳定性的关键。

图 3. 纤维素基碘正极的结构表征。

  进一步将纤维素作为碘正极粘结剂成功制备出柔性自支撑碘正极，并对碘正极进行了一系列物理、结构表征。结果显示（图3），ZNF纤维网络更致密均匀，能够在吸附碘的活性炭（AC/I₂）外层形成三维网络，这种结构使ZNF电极力学强度明显提升，同时有效抑制了电解液中自由水的侵蚀与电极的结构崩塌，使改性后的ZNF网络在循环过程中始终保持致密稳定，为锌碘电池提供了兼具高稳定性与高可靠性的长效骨架支撑。

图 4 纤维素基碘正极的电化学性能。

  基于ZNF的强路易斯酸碱相互作用与优异结构稳定性，ZNF电极展现出了显著优于CNF电极的电化学性能：更低的界面反应活化能、更快的离子扩散动力学和更可逆的碘氧化还原反应，共同促成了其卓越的倍率性能和超长循环稳定性，在5A g^?1的高电流密度下循环18000次仍能维持89.6%的高容量保持率与库仑效率，性能表现远超同类碘基电池体系，充分验证了锆离子配位改性策略对抑制穿梭效应、加速反应动力学和实现长循环寿命的关键作用（图4）。

图5 ZNF电极的性能稳定性验证及其循环后电极抗溶胀性测试。

  循环后的正负极结构表征进一步验证了ZNF电极在全电池体系中的显著优势，改性后的电极溶胀率大幅降低（图5），长循环过程中不仅有效抑制了锌枝晶与副产物的生成，更从根源上阻断了多碘化物的穿梭路径，实现了更快、更完全的氧化还原反应。

  该研究不仅在锌碘电池电极材料改性层面实现了关键突破，更为纤维素基功能材料在储能领域的高值化利用提供了全新思路。通过锆离子配位改性，首次在纤维素基电极中实现了强路易斯酸碱相互作用与优异抗溶胀结构的协同构建，打破了传统纤维素电极易溶胀、难以锚定多碘化物的固有局限，为抑制多碘化物穿梭效应开辟了新路径；通过对纤维素表面化学与微观结构的精准调控，实现了碘物种快速转化、界面稳定性提升与锌负极保护的协同优化，为高性能锌碘电池的电极设计提供了通用的理论与方法参考；改性过程以天然纤维素为基底，工艺温和、环境友好，且改性后的电极在倍率性能、长循环稳定性上均表现出显著优势，为锌碘电池的实用化与产业化落地奠定了坚实基础，对推动低成本、长寿命水系储能技术的发展具有重要意义。

  文章链接：https://doi.org/10.1016/j.scib.2026.05.064