当前位置：首页>武汉>湖南大学汪朝晖/武汉大学陈朝吉/西安理工大学燕映霖 Nat. Commun.:羟基化学调控纤维素粘结剂助力高性能水系锌电池

湖南大学汪朝晖/武汉大学陈朝吉/西安理工大学燕映霖 Nat. Commun.:羟基化学调控纤维素粘结剂助力高性能水系锌电池

2026-09-07 06:27:39

近日，湖南大学汪朝晖团队、武汉大学陈朝吉团队、西安理工大学燕映霖团队合作在国际知名期刊《Nature Communications》上发表题为《Hydroxyl chemistry regulation of cellulose biopolymers for aqueous zinc battery binders》的研究论文。研究团队提出了一种羟基化学调控策略，通过对地球上丰富的生物聚合物——纤维素进行分子层面的精准改造，将其从传统粘结剂转变为兼具高亲和性、界面相容性和强效多碘化物锚定能力的高性能水系锌电池粘结剂。采用该策略制备的ONF粘结剂，使碘正极在20 A g^-1的电流密度下仍能输出150.9 mAh g^-1的可逆容量，软包电池在0.2 A g^-1下历经3000小时循环后容量保持率为98.07%。该工作为可持续生物聚合物粘结剂的分子工程提供了新范式，也为高性能水系电池的设计开辟了广阔前景。论文第一作者为西安理工大学/湖南大学联培博士生许荣富和湖南大学硕士毕业生陈宁昕。

水系锌金属电池因使用不可燃水系电解液、锌金属储量丰富且理论容量高，被视为后锂离子时代极具潜力的储能技术之一。然而，高容量正极材料（如碘、钒氧化物、锰氧化物）普遍面临正极/电解液界面电荷转移动力学迟缓、活性物种溶解流失等共性挑战。以碘正极为例，多碘化物（I₃^-、I₅^-）的严重穿梭效应不仅导致容量持续衰减，还会引发锌负极腐蚀等副反应。作为电极中直接接触活性物质并维系电极结构的关键组分，粘结剂的作用长期被低估。传统聚偏氟乙烯（PVDF）粘结剂与碘载体及导电剂的界面相容性差，易致组分分离和电荷传输路径中断；其惰性分子骨架对多碘化物缺乏亲和力，致使多碘化物无阻穿梭。尽管近年来涌现出含极性基团（如酰胺基、磺酸基、羟基和氨基）的功能粘结剂，但其活性官能团密度受限于聚合物主链，且难以在不牺牲加工性能和机械强度的前提下进一步提升。更关键的是，这些粘结剂仍难以实现对活性颗粒的完整包覆和界面全覆盖。

在汪朝晖教授前期关于纤维素隔膜和纸电极的工作基础上，三方团队合作提出了一种羟基化学调控策略，通过对纤维素分子链中脱水葡萄糖单元（AGU）的环状结构进行选择性开环，从根本上重塑了纤维素的分子构型与表面化学特性（图1）。

图1：羟基化学调控策略提升碘正极性能的机理示意图

对改性前/后的纤维素进行了结构表征与模拟计算分析（图2），结果表明纤维素在氧化、还原过程中AGU环被成功打开，其分子长程有序度降低、链柔性提升。羟基信号放大，分子间氢键比例、键能显著增强。分子结构改变引起的电荷重分布赋予ONF对多碘化物等带电物种更强的静电亲和力。

图2：不同纤维素的物理化学表征

研究团队进一步将ONF作为粘结剂，成功制备了柔性自支撑碘电极。结构表征（图3）显示，PVDF基正极表面暴露出大量AC@I₂颗粒，而CNF和ONF基正极均形成了连续的纳米纤维包覆层。但ONF基正极展现出更优异的表面均匀性和平整度，活性颗粒被均匀嵌入由纳米纤维素纤维互穿形成的连续层状网络中。值得注意的是，与CNF相比，ONF粘结剂形成的包覆层具有更高的堆积密度和更强的链间缠结，这使得ONF基正极电导率提升约50%，干/湿态力学性能均有明显提升。

图3：纤维素基碘正极的物理表征

基于ONF粘结剂的结构与界面优势，ONF基碘正极展现出卓越的电化学性能（图4）。更快地建立氧化还原平衡和更低的内阻共同促成了其优异的倍率性能和循环稳定性：在0.2、1、2、5、10和20 A g^-1下分别提供212.7、199.1、194.2、185.5、173.1和150.9 mAh g^-1的可逆放电比容量；在静置24 h、48 h和96 h后分别保持初始容量的96.45%、94.08%和93.26%；在10 A g^-1下循环10,000次后容量保持率达95.16%，单圈容量衰减率低至0.00048%。上述性能指标与近期报道的先进Zn||I₂电池体系相比（包括采用先进碘载体、电解液改性、离子选择性隔膜或粘结剂功能化等策略）均具有竞争力。

图4：不同粘结剂对碘正极电化学性能的影响

为揭示ONF粘结剂的性能优势来源，研究团队开展了系统的机理研究（图5）。结果表明，ONF具有更强的多碘化物吸附能力，且能进一步降低I₂还原为I^-的整体反应自由能，加之ONF基碘正极强化的电子连通性、更低的界面离子传输电阻和更快的氧化还原反应动力学，使得ONF基碘正极在整个循环过程中几乎完全不存在反应中间产物积累，从而有效抑制多碘化物的穿梭效应。

图5：羟基化学调控碘正极机理研究

对羟基化学调控策略的验证（图6）进一步表明了该策略的普适性。与PVDF基正极发生严重结构退化和CNF基正极出现部分活性颗粒暴露不同，ONF基正极在长期循环中保持化学和结构稳定，完整保留了高覆盖率的均匀纳米纤维分布表面。采用ONF基正极组装的软包电池在循环3000 h后容量保持率达98.07%，充分证明了该粘结剂在实际工作条件下支持长期循环的能力。ONF优异的机械强度和内聚氢键网络还实现了可规模化、可实用的电极集成策略。同时，ONF粘结剂的优势不仅限于碘正极，其在V₂O₅、LiMn₂O₄正极体系中同样形成了致密包覆纳米纤维网络，显著增强相应正极电化学性能。

图6：羟基化学调控策略的普适性验证

该研究通过羟基化学调控策略，将天然纤维素转化为高性能水系锌电池粘结剂，不仅为水系锌电池提供了高效粘结解决方案，更揭示了天然生物聚合物经由精准分子工程实现功能跃迁的普适路径。该策略赋予纤维素基电极强氢键网络、高界面亲和性与稳定的结构骨架，协同促进了活性物质氧化还原动力学、界面稳定性与负极保护的同步优化。这一成果为低成本、长寿命水系储能技术的发展提供了重要支撑，同时也为可持续生物聚合物粘结剂的分子工程建立了通用的理论与方法框架。

文章链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-026-74692-8