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天津科大劉葦/侯慶喜教授團隊 Nano Energy綜述：木質纖維生物質材料在高性能水系鋅離子電池中的應用進展

2024-04-10 來源：高分子科技

水系鋅離子電池（Aqueous zinc-ion batteries，AZIBs）具有鋅資源豐富、成本低廉、環境友好、理論容量高（820 mAh g^–1）以及過電位較低等優勢，受到了日益廣泛的關注。然而，鋅金屬電極存在著枝晶、副反應以及析氫等問題，大大縮短了電池的使用壽命，阻礙了其大規模工業化應用的進程。木質纖維生物質材料（纖維素、半纖維素和木質素）具有資源豐富、綠色、可再生、可生物降解、成本低廉、環境友好等諸多優點，已經成為解決上述電池問題的有效方案之一。本文圍繞木質纖維生物質材料在高性能水系鋅離子電池中的最新研究進展進行了系統、全面的分析和闡述，并提出了未來的發展方向。

本文總結了木質纖維生物質材料在水系鋅離子電池中的最新研究進展，主要包括：（1）AZIBs的優勢和面臨的挑戰，提出了通過木質纖維生物質材料提高AZIBs性能的策略；（2）木質纖維生物質材料在水系鋅離子電池的電極、電解質和隔膜中的最新研究進展；（3）木質纖維生物質材料在水系鋅離子電池應用中面臨的機遇和挑戰，提出了未來的發展方向。

一、AZIBs的優勢及面臨的挑戰

當前，AZIBs具有價格低廉，高理論容量、在含水電解質中穩定性高以及多電子轉移等優點（圖1），已經成為儲能領域研究的熱點和重點。然而，AZIBs也面臨鋅枝晶、析氫和副反應等諸多問題和挑戰（圖2）。木質纖維生物質儲量豐富、可再生、可生物降解，且分子結構中富含大量的羥基，且物化性質穩定，在解決AZIBs所面臨的各種問題方面具有巨大的潛力和應用前景。

圖1.電化學儲能系統中常見金屬陽極的相對原子質量、標準電勢、全球年產量、價格和比容量的對比情況

圖2. 鋅枝晶、析氫、腐蝕和鈍化示意圖及其相互關系

二、利用木質纖維生物質材料提高AZIB性能的策略

總結了通過引入木質纖維生物質材料提高AZIBs性能的一些策略，主要集中在四個方面：鋅陽極、陰極、電解質和隔膜的優化。木質纖維生物質材料分子鏈上豐富的羥基官能團不僅能夠與水分子結合形成結合水，減少自由水參與的副反應，還能夠與Zn²⁺結合，加速Zn²⁺沉積動力學。同時，其天然的分級和多孔結構能夠充當分子篩的作用，進而促進Zn²⁺的均勻沉積。

三、木質纖維生物質材料在AZIBs中的應用

對木質纖維生物質材料在AZIBs中的主要應用（包括電極、電解質和隔膜）進行了分類，并從制備、機理和性能方面總結了通過引入木質纖維生物質材料（纖維素、木質素和半纖維素）來提高AZIBs性能的最新進展，如圖3所示。

圖3. 木質纖維材料在AZIBs中的先進應用總結

首先，總結了纖維素材料在AZIBs領域中的最新研究進展。纖維素特殊的分子結構賦予了它一系列優異的性質，如機械強度高、易于化學改性、親水性好、電化學窗口寬，以及纖維素本身固有的生物相容性和可降解性。這些特性使得纖維素在AZIBs中不僅能夠提供機械骨架，防止鋅枝晶的生長，抵抗電極腐蝕，而且有利于提高離子導電性，因此，纖維素從眾多材料中脫穎而出。截止目前，纖維素在AZIBs的電極、電解質和隔膜中都有大量的應用和報道。值得指出的時，當纖維素應用于AZIBs的凝膠電解質時（圖4），不僅能夠為電解質提供機械強度來抑制鋅枝晶的生長，而且其分子鏈上豐富的羥基能夠與水結合而減少自由水引發的副反應。圖5展示了纖維素在凝膠電解質中的作用情況。

圖4. 纖維素在AZIBs凝膠電解質中的應用

圖5. 纖維素在AZIBs凝膠電解質中的作用

其次，總結了木質素在AZIBs中的最新應用進展。木質素的高碳含量使其在燃料和化學品應用方面展現出了巨大的潛力。更重要的是，木質素已成為一種儲量豐富、環保且性能優異的前驅體，可用于生產具有成本效益的碳基電極材料。通過利用木質素，他們能夠生產出具有分級多孔碳和納米纖維的電極，而這些電極中的孔隙率則有助于離子和其他物質的快速傳輸。此外，木質素的芳香骨架為其提供了結構剛性，并導致材料具有更高的熱穩定性。木質素獨特的結構特征使得木質素基碳材料成為了一種出色的儲能材料，這為開發具有成本效益和可持續性的AZIBs奠定了堅實的基礎。

圖6. 木質素在AZIBs電極材料中的應用

第三，總結了半纖維素在AZIBs中的最新應用情況（圖7）。目前，半纖維素在AZIBs中的應用仍然十分有限。然而，作為木質纖維生物質材料的重要組成部分，半纖維素一直受到人們的廣泛關注。由于半纖維素具有豐富的羥基，能夠與水產生氫鍵而被用于AZIBs。此外，從半纖維素中提取的糖類也逐漸應用于AZIBs。這些研究將為半纖維素在AZIBs中的應用提供更多的可能。

圖7. 半纖維素在AZIBs中的應用

四、結論與展望

本文全面總結了基于木質纖維生物質材料在水系鋅離子電池（電極、電解質和隔膜）中的最新研究進展，并討論了如何更好的使用這些材料并發揮其優勢，以達到提升水系鋅離子電池性能的策略。由于木質纖維生物質材料優異的機械強度、親水性和可加工性，這為促進了其AZIBs中的應用前景，特別是在極端條件下有望發揮更大的作用。木質纖維生物質材料來源于天然植物，不僅易于獲得，儲量豐富，而且可生物降解，可再生，完全符合可持續發展的原則，有助于我國早日實現碳達峰和碳中和，實現社會的可持續發展。盡管木質纖維生物質材料在AZIBs的應用已經顯示出了巨大的前景和優勢，但其固有的缺點，如導電性差、分散性及改性過程復雜等方面仍然限制了其大規模的應用。因此，將木質纖維生物質與其他材料相結合，以及對其進一步改性與加工是十分就顯得尤其必要。此外，木質纖維生物質材料的的組分分離和改性面臨著一定的問題，如果能將木材等生物質原料不經過組分的分離，而直接應用于水系鋅離子電池將顯著地降低成本，因此，有必要針對該策略進行深入的開發和研究。最后，關于木質纖維生物質材料在AZIBs的作用機理方面的研究仍有不足，因此在反應動力學和熱力學上做進一步的研究有助于促進木質纖維材料在水系鋅離子電池中的推廣和應用。
更多信息請參見Nano Energy期刊論文 “Advances in application of sustainable lignocellulosic materials for high-performance aqueous zinc-ion batteries”。天津科技大學研究生黃毅為論文第一作者，天津科技大學劉葦教授、寧波工程學院/寧波材料所林陳曉副教授、廣西大學聶雙喜教授為論文共同通訊作者，天津科技大學為第一完成單位。該工作得到了國家自然科學基金（32071715）、天津市自然科學基金重點項目（22JCZDJC00560）和天津市制漿造紙重點實驗室開放基金（202002）的資助。

原文鏈接：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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（責任編輯：xu）

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