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  由于便攜式電氣設備、電動汽車和電網儲能等對儲能的需求不斷增長，因此電化學儲能設備在過去幾十年中引起了廣泛關注，包括鋰離子電池、鈉離子電池、鋅離子電池、金屬空氣電池、金屬硫電池、超級電容器和太陽能電池。目前，液態電解質因其高離子電導率（室溫下為10^?3–10^?2 S cm^?1）和與各種電極保持良好接觸等優點在電化學儲能設備中占主導地位。然而，液態電解質的安全問題，包括有機溶劑的易燃性、電解質泄漏和枝晶生長，仍然阻礙著電化學儲能設備的大規模應用。聚合物電解質是一種很有前途的替代品，能夠取代傳統液態電解質，很容易地克服電池安全問題并抑制枝晶的生長。根據是否存在增塑劑，聚合物電解質可分為兩類，即固態聚合物電解質和凝膠聚合物電解質。固態聚合物電解質是不含任何液體成分的無溶劑聚合物電解質，高分子量聚合物在其中溶解并溶劑化電解質鹽。在過去的十幾年里，固態聚合物電解質已廣泛應用于全固態鋰電池，特別是鋰硫電池和鋰空氣電池。盡管固態聚合物電解質具有良好的機械性能和安全性，但是它們室溫下的離子電導率（10^?8–10^?5 S cm^?1）卻很低。所以，使用固態聚合物電解質的電池仍存在著可逆容量低和循環性能差的問題。在現階段，固態聚合物電解質的廣泛應用受到了限制。

  凝膠聚合物電解質是介于液態電解質和固態聚合物電解質之間的半固態電解質，由于結合了液態電解質和固態電解質的優點，其作為雙功能電解質和隔膜受到越來越多關注。一般來說，凝膠聚合物電解質由聚合物基體、電解質鹽和增塑劑組成，其中聚合物基體固定了大量的液態電解質。此外，聚合物基體賦予了凝膠聚合物電解質高的機械強度，離子傳輸主要發生在引入液體增塑劑后凝膠聚合物電解質的溶脹膠凝相或液相中。這種獨特的結構可以降低聚合物基體的結晶含量，降低離子運動的勢壘從而提高凝膠聚合物電解質的離子導電性。大多數凝膠聚合物電解質室溫下的離子電導率接近10^?3 S cm^?1。因此，凝膠聚合物電解質克服了液態電解質機械強度低和固態電解質的離子電導率低的問題。此外，凝膠聚合物電解質通常具有更好的可加工性和靈活性，在柔性和可穿戴電子產品具有很好的前景。凝膠聚合物電解質的柔性和可變形性源于聚合物基體的性質，聚合物基體主要包括聚環氧乙烷（PEO）、聚乙烯醇（PVA）、聚丙烯腈（PAN）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚（偏氟乙烯-共-六氟丙烯）（PVDF-HFP）、聚丙烯酰胺（PAM）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等聚合物材料。然而，這些聚合物大多來源于不可再生的石油原料，非生物降解的石油基聚合物會造成白色污染，對人類健康和環境產生不利影響。

  隨著科研人員對生態環境和可持續綠色化學的日益關注，生物聚合物可以用于制備凝膠聚合物電解質。生物聚合物，也稱為天然聚合物，是從可再生資源（藻類、細菌、微生物、植物等）中獲得的，主要包括多核苷酸、多肽和多糖。其中，多肽和多糖是制備生物質基凝膠聚合物電解質最常用的材料，如明膠、海藻酸鹽、淀粉、瓊脂、纖維素、殼聚糖等。近十年來，生物聚合物擁有可持續性、生物降解性、低成本、加工簡單和無毒性等優點，因而生物質基凝膠聚合物電解質的大規模生產和在電化學儲能設備中得到了快速發展。令人印象深刻的是，纖維素和殼聚糖是電化學儲能設備中使用更廣泛的生物聚合物。

圖1 生物質基凝膠聚合物電解質的常用生物質及文章發表情況

  最近，華南理工大學制漿造紙工程國家重點實驗室彭新文教授團隊系統地概述了具有獨特物理化學性質和智能化生物質基凝膠聚合物電解質在電化學儲能設備中應用的最新進展，包括超級電容器、鋰電池、鈉電池、鋅電池、鎂電池、鋁電池和太陽能電池。其次，還對生物質基凝膠聚合物電解質的交聯方法和理化性能進行了全面的回顧和分析。重點介紹了功能化生物質基凝膠聚合物電解質的自修復、拉伸和耐熱能力。最后，討論了生物質基凝膠聚合物電解質在先進電化學儲能裝置中目前面臨的挑戰和未來的發展方向。

  首先回顧了一下凝膠聚合物電解質的發展歷程，總結了聚合物基體的要求：(1) 優秀的鹽解離能力；(2) 聚合物鏈的快速分段移動；(3) 低玻璃化溫度；(4) 高分解溫度；(5) 較寬的電化學窗口。凝膠聚合物電解質通常是通過聚合物的物理凝膠化、聚合物的化學交聯和聚合物單體的化學聚合來制備，還可分為物理方法和化學方法。

  接下來詳細介紹了儲能領域中常用的生物聚合物的一般特征、分子結構、交聯方式以及發展現狀，主要包括纖維素、海藻酸鹽、殼聚糖、蛋白質、淀粉、瓊脂、卡拉膠、黃原膠、瓜爾膠、木質素等。

  隨后，該綜述對生物質基凝膠聚合物電解質在各個儲能領域的應用進行了系統的介紹，如超級電容器、鋰離子電池、鋰金屬電池、鈉離子電池、鈉金屬電池、鋅離子電池、鋅空電池、鋅離子混合電容器、鎂電池、鋁電池和太陽能電池。針對生物質基凝膠聚合物電解質存在的問題，總結了常用生物聚合物的調控策略。

圖3生物質基凝膠聚合物電解質中常用的生物聚合物的基本化學結構以及交聯方式

  （1） 室溫下的離子電導率相對較低。生物聚合物豐富的極性基團可以通過路易斯酸堿相互作用和靜電力促進鹽的溶解，從而實現高離子導電性。此外，電解質離子沿聚合物鏈的熱運動特征也是一個重要因素。因此，生物聚合物的分子量、長度、極性基團的類型和交聯度會影響生物聚合物與電解質離子之間的相互作用。因為應該加深對生物聚合物特性和不同電解質離子之間的理論相互作用機制的理解。然而流動相仍然是傳統的液態電解質，這在穩定性、安全性和可持續性方面仍存在不足。因此，尋找可持續和環保的替代品作為流動液相對于容納生物聚合物是至關重要的。在這方面，可持續和安全的離子液體和快速離子導體是生物質基凝膠聚合物電解質的一種不錯的選擇。

  （2） 最大限度地提高生物質基凝膠聚合物電解質的機械性能，包括構建雙網絡結構、摻雜納米顆粒和利用Hofmeister效應。此外，還需要開發變形過程中的理論模型方法，以加深不同部件上的應變分布。

  （3） 提高生物質基凝膠聚合物電解質的電化學/熱穩定性和耐久性。可以合理設計聚合物基體、電解質鹽和無機填料和設計合適的電解質-電極界面，以進一步提高熱穩定性并拓寬電化學窗口。

  （4） 開發低成本、可擴展和環保的生物聚合物提取和生物質基凝膠聚合物電解質的生產工藝。一般來說，將生物聚合物轉化為功能電解質包括溶液處理，包括真空輔助過濾、澆鑄干燥、濕法紡絲和電紡絲、冷凍干燥等，從而產生昂貴的產品。因此，應進一步發展原位制備方法。

  （5） 開發具有新功能（如可拉伸性、溫度敏感、自修復、變色）的智能設備，以進一步拓展其在下一代智能電子設備和植入生物醫學設備中的應用。因此，還必須注意利用生物聚合物的化學結構和性能的優勢，并充分了解其結構和性能之間的關系。

  原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0079642524000331