湖南大学汪朝晖/西理工燕映霖/武汉大学陈朝吉,最新Nature子刊!羟基化学调控纤维素生物聚合物用于水系锌电池粘结剂!许荣富/陈宁昕一作

水系电池具有本征安全性和低成本优势，但现有粘结剂固有的物理化学功能及其较差的界面相容性限制了其提升正极性能的能力。

2026年06月20日，湖南大学汪朝晖、西安理工大学燕映霖团队合作在Nature Communications期刊发表题为“Hydroxyl chemistry regulation of cellulose biopolymers for aqueous zinc battery binders”的研究论文，西安理工大学/湖南大学许荣富、湖南大学陈宁昕为论文共同第一作者，汪朝晖、武汉大学陈朝吉、燕映霖为论文共同通讯作者。

第一作者：许荣富、陈宁昕

通讯作者：汪朝晖、陈朝吉、燕映霖

通讯单位：湖南大学、武汉大学、西安理工大学

论文DOI：10.1038/s41467-026-74692-8

该研究提出了一种羟基化学调控策略，将地球上储量丰富的生物聚合物纤维素转化为具有高亲和力和界面相容性的粘结剂，用于稳定高容量且易发生穿梭效应的正极。通过在纤维素分子链中选择性地打开其刚性环状结构，增强了偶极极性、链柔韧性以及分子间氢键密度，从而提高了官能团的可及性和界面粘附力。这些分子层面的修饰驱动了致密纳米纤维网络的形成，该网络能够保形包覆活性颗粒并锚定多碘化物，加速氧化还原动力学并增强电极稳定性。采用该工程化粘结剂的碘正极在20Ag⁻¹下可实现150.9mAhg⁻¹的可逆容量，软包电池在0.2Ag⁻¹下经过3000h后仍保持98.07%的容量。该粘结剂还能够实现高载量电极的逐层制备，并且对其他易溶解的正极如V₂O₅同样有效。总体而言，该研究为生物聚合物粘结剂的分子工程建立了一条通用且可持续途径，拓展了其在先进水系电池设计中的作用。

对可持续、安全、低成本和可扩展储能的需求日益增长，推动了人们对锂离子体系以外可充电电池化学体系的研究探索。其中，水系锌电池因其使用不可燃水系电解液、锌金属储量丰富且理论容量高而备受关注。在该类体系中，正极性能是限制能量密度的关键因素之一，这凸显了正极材料和电极设计的重要性。高容量正极如碘(I₂)、锰氧化物和钒氧化物，尽管其氧化还原机理各不相同，但都面临着共同的挑战，包括正极/电解液界面处缓慢的电荷转移动力学，以及活性物种向电解液中的溶解（例如I₃⁻/I⁻、Mn²⁺、VO₂⁺）。这些问题源于电极微观结构内部，且在电子/离子传导不良的情况下会进一步加剧，导致容量衰减和循环效率低下。

理想的水系锌电池电极应集成连续电子/离子传导网络，固定可溶性氧化还原物种，并在循环过程中保持结构完整性。然而，传统粘结剂如聚偏氟乙烯（PVDF）——作为电极中一个被忽视但却至关重要的组分——无法满足这些要求。以I₂作为代表性正极，PVDF对载碘宿主（如活性炭（AC）@I₂）和导电添加剂均表现出较差的界面相容性，导致材料偏析和电荷传输路径不连续(公众号：Gaussian)。这种不均匀的材料分布使得AC@I₂区域暴露在外，并产生界面空隙，这些空隙成为多碘化物物种（如I₃⁻、I₅⁻）的泄漏通道。同时，PVDF骨架的疏水性和官能团惰性使其缺乏对多碘化物的亲和力，使得多碘化物能够不受阻碍地迁移，进而在锌负极发生寄生反应。这些物理和化学缺陷的耦合凸显了粘结剂化学在决定水系电池性能中虽被低估但却至关重要角色。

近期研究探索了带有极性基团的功能性粘结剂，如酰胺基（聚丙烯腈共聚物基粘结剂LA133）、磺酸基（木质素磺酸钠）或羟基和氨基（壳聚糖），以提升I₂正极的性能。这些粘结剂通过氢键和静电相互作用改善了多碘化物亲和性，同时也通过调控局部溶剂化环境促进Zn²⁺的传输。然而，尽管相较于PVDF具有优势，采用这些粘结剂的电极往往表现出类似的形貌缺陷，包括界面空隙和活性颗粒的不完全包覆，这些缺陷会干扰电荷传输、劣化颗粒-电解液接触，并容许多碘化物持续泄漏。更为关键的是，其活性官能团密度本质上受限于聚合物主链，且在不牺牲加工性或机械鲁棒性的情况下难以提高。这些相互交织的局限性——低可及结合位点密度和不完全的界面覆盖——凸显了当前粘结剂设计策略中一项关键但尚未充分探索的瓶颈。

在此，该研究提出了一种针对纤维素生物聚合物的羟基化学调控策略，以克服水系锌电池中现有粘结剂的化学和界面局限性。纤维素是地球上储量丰富的生物聚合物，由重复的脱水葡萄糖单元（AGU）组成，富含羟基——这是天然和合成聚合物中普遍存在且可调控的官能团之一，但其在调控粘结剂功能方面的潜力仍未得到充分开发。研究发现，选择性破坏纤维素主链中AGU的环状构象可重新分布电子云，增加羟基的偶极矩和反应活性，从而释放其调控界面反应和稳定电极结构的能力(公众号：Gaussian)。这种分子水平的修饰增强了链间柔韧性，并产生了密集的可及氢键位点网络，能够与可溶性活性物种（如多碘化物）产生强静电相互作用。链柔韧性和极性的增加也改善了对活性材料和导电添加剂的界面相容性，形成了均匀、保形的活性颗粒包覆层和致密、无空隙的电极结构。这些化学-结构方面的协同改进促进了电极-电解液界面处的电荷转移，加速了I₂/I⁻转化动力学，并在使用过程中增强了电极完整性。因此，采用该工程化粘结剂的I₂正极在20Ag⁻¹下实现了150.9mAhg⁻¹的高倍率性能，在实际软包电池中经过3000h后容量保持率达98.07%。该粘结剂还能改善V₂O₅正极的性能，展示了其更广泛的适用性。该研究架起了可再生生物聚合物分子工程与粘结剂化学之间的桥梁，为可持续、高性能水系电池提供了一条可行的途径。

图1 | 水系电池中粘结剂性能的对比示意图（以I₂正极为例）。a，传统粘结剂。b，羟基化学调控前的纤维素粘结剂（CNF，左）和调控后的纤维素粘结剂（ONF，右）。

图2 | CNF和ONF的物理化学表征。a，纤维素纸的ATR-FTIR光谱。b，¹³C固态NMR谱。c，GIXRD图谱。d，羟基官能团的拉曼mapping图像(公众号：Gaussian)。e，CNF-CNF和ONF-ONF相互作用的差分电荷密度分析（灰色、白色和蓝色原子分别代表C、H和O。蓝色区域表示电子积累，灰色区域表示电子耗尽）。f，分子表面静电势分布（灰色、白色和蓝色原子分别代表C、H和O）。g，Zeta电位测量。h，水分散体（1.5mgmL⁻¹）的UV-Vis吸收光谱及对应的光学照片。i，水分散体的接触角和润湿吉布斯自由能。

图3 | 纤维素基复合正极的物理表征。a，CNF和ONF纤维素纸的密度。b，包覆层形成过程示意图。c，纤维素基复合正极通过折叠展示的柔韧性。d，CNF基和ONF基复合正极的表面微观结构。e，CNF基和ONF基复合正极的激光共聚焦显微镜图像。f，CNF基和ONF基复合正极的截面微观结构（上）及包覆层形貌（下）（蓝色染色区域：AC@I₂颗粒）。g，CNF基和ONF基复合正极的四探针电导率。h，CNF基和ONF基复合正极的拉伸强度和伸长率（数据以均值±标准差（SD）表示，误差棒代表SD。数值来源于n=3个独立生物学重复）。

图4 | 不同粘结剂的I₂正极电化学性能。a，不同扫描速率下的CV等高线图。b，不同扫描速率下的赝电容贡献比例。c，还原/氧化反应的活化能垒(公众号：Gaussian)。d，GITT曲线（下）及对应的内部极化电阻（上）。e，在0.2Ag⁻¹下的恒流充放电曲线。f，从0.2到20Ag⁻¹的倍率性能及对应的g，极化电压。h，不同静置时间后的容量保持率。i，在10Ag⁻¹下的长期循环稳定性。j，与已报道的I₂正极体系的性能对比。所有电池均在25±1.5°C下测试。

图5 | I₂正极的羟基化学调控机理。a，纤维素/多碘化物混合溶液经高温老化后的UV-Vis吸收光谱（插图：显示颜色差异的光学照片）。b，CNF和ONF纤维素纸在多碘化物吸附前后的O1s XPS谱。c-e，PVDF基、CNF基和ONF基复合正极在充放电过程中的原位UV-Vis光谱（在0.1Ag⁻¹和25±1.5°C下测试）。f，PVDF基、CNF基和ONF基复合正极的原位拉曼光谱及对应的恒流充放电曲线（在0.5Ag⁻¹和25±1.5°C下测试）。g，PVDF、CNF和ONF与I₃⁻及I₅⁻的结合能（紫色、灰色、蓝色、白色和淡灰色原子分别代表I、C、O、H和F）。h，在PVDF、CNF和ONF作用下碘物种反应的吉布斯自由能曲线（紫色、灰色、蓝色、白色和淡灰色原子分别代表I、C、O、H和F）。i，PVDF基、CNF基和ONF基复合正极的DRT等高线图对比（在0.2Ag⁻¹和25±1.5°C下测试）。

图6 | 羟基化学调控的效果验证及扩展应用。循环后I₂正极隔膜侧的表面微观结构：a，PVDF，b，CNF和c，ONF（蓝色染色区域：AC@I₂颗粒。测试条件：10Ag⁻¹，1000次循环，100%SoC）。d，采用ONF制备的软包电池在0.2Ag⁻¹下的循环性能（插图：从左至右依次为软包电池点亮红色LED的光学照片及对应的时间-电压曲线）。e，多层ONF基复合正极组装示意图。f，堆叠两层ONF正极的拉伸性能(公众号：Gaussian)。g，堆叠四层ONF正极的循环性能。h，不同粘结剂的V₂O₅正极的倍率性能和i，循环性能。j，不同粘结剂体系循环后锌负极表面的钒含量。k，ONF包覆V₂O₅的示意图。所有电池均在25±1.5°C下测试。