福州大學鄭云教授、張久俊院士《Materials Today》綜述！

1、研究背景：

固態鋰金屬電池（SSLMBs）具備良好的安全性和較高的能量密度，被認為是下一代高性能電化學儲能系統的重要候選者。柔性固態電解質（SSEs）在機械強度與電極界面接觸等方面具有顯著優勢，成為該領域的重要研究方向。生物衍生聚合物憑借其可持續性、良好的柔韌性以及豐富的化學可調性，作為柔性固態電解質的基質材料，正受到越來越多的關注。其中，纖維素憑借其低成本、優異的化學穩定性以及分子結構可修飾的特點，引起了研究者的廣泛興趣。

基于此，福州大學鄭云教授、張久俊院士團隊系統總結了固態鋰金屬電池用纖維素基柔性固體電解質（CFSEs）的最新進展，構建了纖維素在CFSEs中“由惰性填料到功能基質，再到離子導體”的遞進式設計框架。內容涵蓋了纖維素及其衍生物的分類、CFSEs的制備方法，以及纖維素在固態電解質中的發展歷史，深入解析了纖維素在SSLMBs中的作用及功能機制，并討論了當前CFSEs面臨的局限性以及其在實際應用中的重要發展方向，旨在加速該技術從實驗室走向商業化應用。

2、核心內容表述：

本綜述系統總結了近五年來用于鋰金屬電池柔性固態電解質的生物衍生功能化聚合物的重要研究進展。以可再生、環保且低成本的纖維素為典型代表，提出了CFSEs“從惰性填料，到功能基質，再到離子導體”的遞進式論述框架。在此基礎上，全面梳理了纖維素在電解質中作為添加劑、結構框架、模板材料及主要結構單元等多重角色，并深入分析了溶液鑄膜、刮涂、原位聚合、靜電紡絲及凍干等制備方法對微觀結構和離子傳輸的影響。此外，本文還系統展示了生物衍生功能化聚合物的巨大潛力。這類材料兼具天然來源與先進功能特性，為開發高性能、柔性且可規模化生產的CFSEs提供了理論指導，有望推動柔性固態鋰金屬電池技術走向商業化應用。

3、圖文解析：

圖1.生物衍生功能化柔性電解質的制備策略及纖維素的功能概述

作者系統總結了CFSEs的制備方法及纖維素在其中的多重功能角色。從纖維素的固有特性出發，全面回顧了其作為添加劑、結構框架、模板以及主要交聯結構等不同角色的作用，并梳理了CFSEs的典型制備方法。

圖2.纖維素的不同來源及其代表性微觀結構特征

圖2展示了纖維素的多種來源及其不同微觀結構特征。通過呈現來自植物纖維、細菌纖維等不同來源的纖維素及其形貌，說明了從天然生物體中提取纖維素并將其轉化為納米結構材料的過程。

圖3.纖維素衍生物及其相關分子結構示意圖

圖3展示了纖維素衍生物及其分子結構，包括纖維素酯（CEs）、纖維素醚（CETs）及其他功能化衍生物。通過破壞纖維素自身緊密的氫鍵網絡并引入特定功能基團，所構建的纖維素衍生物在賦予特殊功能的同時，保持了CFSEs中纖維素基質的固有柔韌性與機械強度。

圖4. CFSEs的不同制備策略

圖4總結了CFSEs的主要制備策略，包括前驅體混合與成型方法（如原位聚合、溶液鑄膜、刮涂、相轉化和靜電紡絲）以及后處理工藝（如真空干燥和冷凍干燥）。

圖5. CFSEs的發展史：從“惰性填料”到“功能基質”，再到“離子導體”

CFSEs的發展可分為三個代表性階段。第一階段，纖維素主要作為惰性增強填料，用于提升機械強度。第二階段，通過化學改性，纖維素被轉化為功能基質，用于構建離子傳輸通道。第三階段，自2021年以來，分子設計策略的發展促進纖維素進一步轉化為離子導體，能夠直接參與離子傳輸。在此基礎上，研究進展已從纖維素的初步添加劑應用，拓展到分子工程、生物啟發的層級結構以及原位生長金屬-有機框架（MOF）等先進策略，有效克服了傳統纖維素聚合物體系的固有限制。這一發展歷程不僅體現了纖維素材料從基礎研究向實際電解質設計的關鍵躍遷，也為SSLMBs奠定理論基礎并提供可行路徑。

圖6.纖維素材料用作CFSEs中的添加劑

在柔性固態電解質（FSSEs）開發中，添加劑被廣泛應用于解決離子電導率與機械強度之間的固有權衡問題。在眾多添加劑材料中，纖維素及其衍生物因其獨特的結構與物理化學特性而備受關注。當以納米結構形式引入時，纖維素能夠同時提升離子傳輸效率和機械強度。此外，通過調節填料含量，可為FSSEs的整體性能提供有效的調控途徑，以滿足特定應用需求。

圖7.纖維素材料在CFSEs中用作結構支撐

纖維素因其固有的高機械強度、優異的柔韌性以及出色的成膜能力，成為FSSEs中極具潛力的結構支撐材料。當纖維素作為結構框架引入電解質體系時，它能夠形成連續且機械穩固的基質，在適應形變的同時維持離子傳輸通道。此外，纖維素自身對電解質組分具有良好的兼容性，其化學可調性有助于增強與聚合物基體及無機填料的界面粘附，從而有效減緩傳統FSSEs因機械性能不足而引發的接觸失效問題。

圖8.纖維素模板法在CFSEs中的應用

在FSSEs的設計中，纖維素及其衍生物因其優異的網絡形成能力和力學性能，常被用作結構框架。然而，直接使用纖維素及其衍生物在精確孔結構控制及多尺度結構調控方面往往存在局限。為解決這一問題，研究人員引入了模板法策略，其中纖維素或纖維素基三維結構作為模板，引導無機或有機相的形貌及空間排列。根據纖維素在制備過程中的功能作用，模板化策略可分為兩類：（i）犧牲模板法（sacrificial templating），在后處理過程中去除模板以獲得純凈目標骨架；（ii）共模板法/生物模板法（co-templating/bio-templating），纖維素不僅作為結構支撐，還通過功能組分（如MOFs或有機相）的原位生長參與混合框架的形成。在這種情況下，纖維素在機械性能和電化學性能方面均發揮重要作用，促進Li+傳輸并增強界面穩定性。

圖9.纖維素作為CFSEs的主要結構材料

天然纖維素自身具有絕緣性，其高度致密的分子結構顯著限制了Li?的傳輸。為克服這一局限，本節介紹了兩種以纖維素為核心的離子導電策略：（i）通過在纖維素骨架上直接引入金屬離子或者離子導電基團（如磺酸基、季銨基或兩性離子基團）進行化學功能化，以構建連續的離子傳輸通道；（ii）將化學改性的纖維素接枝到聚合物骨架上，進一步促進鋰鹽的解離并提升電解質的離子電導率，從而推動高性能CFSEs的開發。

圖10.纖維素基質用于GPEs

將纖維素作為基質浸入電解質中，提供了一種簡單、低成本且環保的凝膠電解質（GPEs）制備途徑。纖維素基質憑借其三維網絡結構和優異的液態電解質（LEs）吸附能力，可顯著提升離子電導率、熱穩定性和力學性能。這些特性協同作用，有助于抑制鋰枝晶生長、改善循環穩定性并增強安全性，使得纖維素基柔性凝膠電解質（CFGPEs）成為SSEs中極具發展潛力的材料。

圖11.用于CFGPEs的改性纖維素基體

傳統纖維素基膜通常呈高度致密的分子結構，其較差的浸潤性限制了LEs的吸附，進而影響電解質的浸潤效果與離子傳輸。為此，對纖維素基質的改性通常采用接枝或功能化技術，以增大分子鏈間距或改變功能基團，從而提升其電解質吸附能力。同時，這些改性能夠削弱分子間相互作用，促進離子在電解質中快速傳輸。這種通過化學功能化、無機復合或聚合物接枝對纖維素基質進行改性的策略，可有效增強電解質吸附能力和離子電導率，并保持纖維素本身的可再生性和柔韌性。

圖12.用于CFGPEs的復合電解質

在上述優化的基礎上，復合GPEs通過將改性纖維素與聚合物、離子液體（ILs）或無機填料結合，實現機械柔韌性與電化學性能的協同提升。通過與聚合物及無機材料的策略性整合，纖維素基復合基質實現了高孔隙率、優異的電解質吸附能力以及卓越的力學和熱穩定性。這種方法在提升CFGPEs的LEs保持能力和離子電導率的同時，保留了纖維素的固有可再生性和柔韌性。

圖13.纖維素作為增強GPEs性能的添加劑

纖維素添加劑在GPEs中形成納米級網絡，可帶來多重優勢：構建均勻的Li+傳輸通道、顯著提高電解質的機械強度和熱穩定性，并有效抑制鋰枝晶的形成。這些多功能特性凸顯了纖維素添加劑在提升CFGPEs性能中的關鍵作用。

5、文獻信息：

Zewen Liu, Shun Zhang, Yun Zheng, Sijie Liu, Song Duan, Zhenghao Li, Tianzhu Zhang, Guohui Chen, Peng Wang, Hongyao Wang, Wei Yan, Jiujun Zhang, Bio-derived functionalized polymers for flexible solid electrolytes in lithium metal batteries,Materials Today, 2026, 97, 103379.

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2026.103379.

6、作者介紹

劉澤文，碩士畢業于河南大學，現為福州大學材料科學與工程學院/新能源材料與工程研究院2024級博士研究生，師從鄭云教授和張久俊院士。主要研究方向為固態/準固態電解質，共發表SCI論文14篇，其中以第一作者在Mater. Today.、Small期刊發表SCI論文2篇。

鄭云教授簡介：鄭云，教授、博導，福州大學材料科學與工程學院，擔任新能源材料與工程研究院（張久俊院士團隊）書記、福建省高能電池與新能源裝備系統工程研究中心書記。清華大學博士（導師：張久俊院士），滑鐵盧大學博后（導師：陳忠偉院士），回國后加入福州大學，入選國家教育部海外引才專項，福建省引才“百人計劃”、福建省“閩江學者”特聘教授、福建省B類高層次人才，2024、2025全球前2%頂尖科學家（Stanford）、2024威立中國開放科學高貢獻作者（Wiley），2024年度福州大學青年五四獎章。長期從事固態電池（弱配位聚合物電解質）方面的研究，近十年共發表SCI論文120余篇，其中以第一或通訊作者在CSR、EER、PMS、PNAS、Joule、JACS、Angew、AM、AEM、AFM等期刊上發表論文60余篇，包括15篇ESI高被引論文、熱點文章和封面文章。授權/公布發明專利25項，撰寫中英文學術專著3本，主持/參與國家級和省級科研項目10余項，受邀擔任國際電化學能源科學院（IAOEES）理事、中國工業合作協會新材料與能源應用專業委員會理事，以及中國工程院院刊系列ENGINEERING Energy等領域知名期刊的青年編委、客座編輯和科學編輯。

張久俊教授簡介：中國工程院外籍院士、加拿大皇家科學院院士、加拿大工程院院士、加拿大工程研究院院士、中國化學會會士、中國化工學會會士、國際電化學學會會士、英國皇家化學會會士、國際先進材料協會會士、國際電化學能源科學院（IAOEES）主席、中國內燃機學會常務理事兼燃料電池發動機分會主任委員，現任福州大學教授、博導，福州大學材料科學與工程學院院長、福州大學新能源材料與工程研究院院長。張教授長期從事電化學能源存儲和轉換及其材料的研究和產業化應用開發，包括燃料電池、高比能二次電池、超級電容器、CO2電化學還原和水電解等。至今已發表論文及科技報告900余篇，編著書30本，書章節51篇，被引用11.8萬多次（H-Index為150）。目前是Springer-nature《Electrochemical Energy Reviews》SCI期刊主編、CRC Press《Electrochemical Energy Storage and Conversion》叢書主編、KeAi Publishing《Green Energy & Environment》SCI期刊副主編、中國工程院院刊能源分刊《ENGINEERING Energy》期刊副主編、中國化學化工出版社大型叢書《電化學能源儲存和轉換》及《氫能技術》主編及多個國際期刊的編委。

課題組介紹：

研究團隊與平臺介紹：為了響應和對接國家“碳達峰碳中和”重要戰略決策，由張久俊院士領銜創建福州大學新能源材料與工程研究院（張久俊院士團隊）。研究院面向新能源產業，研究前沿理論和先進技術，開發核心材料與關鍵部件，集成新能源系統與制備新能源裝置，培養新能源領域的工程技術與運營管理人才等。研究院下設5個中心，其中氫能和燃料電池中心，主要開展電解水和燃料電池中的核心材料、高性能催化劑以及關鍵部件MEA膜的研發；先進儲能和動力電池中心，主要開展下一代高能量密度電池，包括固態鋰基電池和鈉基電池等的研發和產業化；CO2捕獲和還原中心，主要開展CO2電化學還原低碳燃料生產系統的催化劑以及裝置的開發；原位技術中心，主要依托原位測試技術為新能源材料與工程研究提供技術保障與支撐；能源AI中心，主要通過計算機建模和機器學習技術，實現新能源材料與器件的快速篩選和結構設計，以及相關機理探究和過程優化。

研究院網站：https://newenergy.fzu.edu.cn/index.htm

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝論文作者團隊支持。

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