天津科技大学生物基纤维材料全国重点实验室在纤维素基聚合物电解质材料领域取得重要进展

近日，天津科技大学生物基纤维材料全国重点实验室、轻工科学与工程学院司传领教授团队在纤维素基聚合物电解质材料领域取得重要进展。研究团队从材料结构与分子化学层面，系统阐述了如何精准调控纤维素基聚合物电解质材料的离子电导率、离子选择性、抗溶胀性能、自修复能力、阻燃特性、多孔结构、力学强度及光电稳定性等关键指标。该工作以题为“Molecularly Engineered Cellulose: the Next-Generation Sustainable Polymer Electrolyte Materials”发表在《Energy & Environmental Science》（2026年3月第19期），并被遴选为封面文章（Cover Story）。天津科技大学青年教师朱礼玉为第一作者，司传领教授和徐婷教授为共同通讯作者，天津科技大学为唯一单位。

图1. 该工作被遴选为《Energy & Environmental Science》封面文章

目前，聚合物电解质材料（PEMs）之所以成为研究热点，核心驱动力源于其更优异的安全性能，以及与高能量密度、高机械柔性电池体系的高度适配性。能源相关器件的安全性是首要考量，尤其对于高能量存储系统而言更是如此。与传统液态电解质相比，PEMs拥有优异的化学与电化学稳定性，能够有效减少或缓解电池在遭受热冲击、发生热失控时产生的热量积聚。此外，在基础理化性能方面，PEMs 同样具备多重优势：合成工艺简便、成本低廉、化学稳定性突出、材料密度低，适配大规模工业化生产，且在远高于玻璃化转变温度的条件下仍保持良好的机械韧性。

图2. 纤维素基PEMs的分子工程策略概述。（a）纤维素基PEM制造策略；（b）纤维素转化为PEMs的分子工程策略

在纤维素基PEMs的制备过程中，通常会构建由纤维素链相互连接而成的三维网络结构。目前，研究者们已根据原始纤维素原料的特性，开发出多种制备策略，主要包括溶液浇铸/涂覆、真空抽滤、静电纺丝、相转化法以及造纸工艺等。通过这些方法，可以灵活采用水溶性纤维素衍生物、溶解纤维素、细菌纤维素（BC）、纤维素纳米纤丝（CNF）等原料制备 PEMs（图2）。此外，纤维素骨架上丰富的羟基为分子设计提供了多功能平台，基于各种构建策略的实施（醚化/加成反应、氧化反应、磷化反应、磺化反应、酯化反应、缩合反应、离子交联、分子交联、浸渍固化、分子键合），纤维素已成功制备为高性能的PEMs，并实现优异的离子电导率、高孔隙率、高机械性能、优异的离子选择性、优异的阻燃性、自愈性能和突出的光电稳定性。

图3. 纤维素基PEMs的挑战/解决方案、关键要求、表征技术和未来发展的总结

文章最后也提到纤维素基PEMs的未来突破，需在性能表现、环境可持续性与成本效益三者之间实现精准平衡。当前，实验室原型材料的研发往往以 “优先保障性能”为核心导向，却在一定程度上忽视了其他关键维度—例如对原料从采购到报废的全生命周期综合评估。尽管目前仍面临诸多挑战，但纤维素与生俱来的可持续属性与易改性优势，为其在聚合物电解质膜领域的应用搭建了广阔平台，更预示着该方向充满机遇和前景可期的未来（图3）。

近年来，轻工科学与工程学院司传领教授团队在造纸纤维原料及农林生物质高值利用领域持续开展研究，成果先后在《Nature》子刊、《Chemical Society Reviews》《Energy & Environmental Science》《Angewandte Chemie International Edition》《Advanced Materials》等权威期刊发表。

原文链接：

https://doi.org/10.1039/D5EE05398F

编辑：田珺  张晓飞