浙师大张璟/胡恩来，大化所陈忠伟院士AEM：电池变肥料！超季铵化生物质固态电解质赋能可持续柔性锌-空气电池

第一作者：李梦娇，王鸽（共同一作）

通讯作者：张璟*，胡恩来*，陈忠伟*

单位：浙江师范大学化学与材料科学学院，中国科学院大连化学物理研究所

全球能源转型浪潮下，柔性锌空气电池因具有高理论能量密度、资源丰富和环境友好等优势，成为下一代储能技术的有利候选者。然而，其固态电解质普遍面临离子电导率低、循环稳定性差以及环境可持续性不足等挑战。具体来看，现有凝胶电解质虽能在一定程度上缓解电解液泄漏问题，但普遍存在离子迁移效率低、长期稳定性差且腐蚀性较强的短板；碱性阴离子交换膜虽具备低腐蚀性和良好化学稳定性，离子电导率却始终偏低。而壳聚糖等生物质材料因可再生、可降解的特性，被视为构建可持续电解质的理想基材，但天然壳聚糖的季铵化程度低，导致离子交换位点不足，无法支撑电池高性能运转。因此，开发兼具高季铵化程度、高离子电导率、长循环稳定性，且全生命周期环保的生物质基固态电解质，已成为推动柔性锌空气电池走向实用化的核心突破口。

近日，浙江师范大学的张璟/胡恩来团队与中国科学院大连化学物理研究所陈忠伟联合，在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Hyperquaternized Biomass-Derived Solid Electrolytes: Architecting Superionic Conduction for Sustainable Flexible Zinc-Air Batteries”的研究文章。该研究灵感源自榆树果实结构，以虾蟹壳提取的壳聚糖为原料，通过两步季铵化策略，成功制备出季铵化程度高达 109% 的壳聚糖衍生物（QHTCC），并与大豆分离蛋白（SPI）复合，构建出 QHTCC@SPI 固态电解质膜。该电解质在 25℃下实现0.196 S cm⁻¹ 的超高离子电导率，分子动力学MD模拟和阿伦尼乌斯方程揭示了OH⁻ 的传导机制：在Grotthuss机制与Vehicle机制的共同作用下，OH⁻沿聚合物表面快速迁移，实现了超高离子电导率。基于其组装的柔性锌空气电池，开路电压 1.45 V，峰值功率密度90 mW cm⁻²，循环寿命长达6000分钟，且180° 弯曲状态下仍稳定工作，可驱动柔性电子设备。更具亮点的是，QHTCC@SPI 膜在土壤中 9 周内可完全生物降解，残留物富含氮、钾、锌等营养素，实现“储能-养分”闭环循环，为绿色可持续储能技术提供全新范式。

研究团队采用两步季铵化改性策略，在壳聚糖的氨基与羟基双活性位点同步接枝季铵基团，成功实现109% 的超高季铵化度。这一策略显著提升了电解质膜中的阳离子位点密度，为离子传输筑牢基础；结合分子动力学模拟与活化能分析进一步证实，OH⁻可通过Grotthuss–Vehicle混合传导机制实现快速迁移，大幅提升离子传输效率。

将高季铵化壳聚糖（QHTCC）与大豆分离蛋白（SPI）共混，通过氢键作用与静电相互作用构建双网络结构。该结构不仅提升电解质膜的机械稳定性与保水性能，更赋予其优异的长循环稳定性——在固态锌空气电池中可实现 6000 min连续稳定运行。

以QHTCC@SPI为电解质的锌空气电池，在10 mA・cm⁻² 电流密度下放电平台稳定高于1.2 V，峰值功率密度达90 mW・cm⁻²，循环寿命长达6000分钟，且在极端弯折条件下仍保持良好柔韧性。相较于传统壳聚糖电解质及HTCC@SPI电解质电池，该电池性能实现大幅跃升，充分验证了高季铵化生物质电解质的性能优势。

QHTCC@SPI电解质膜具备完全生物可降解性，在土壤环境中九周内即可完全降解。其降解产物含氮、钾、锌等元素，可作为生态肥料被土壤吸收利用；结合电极材料回收工艺，最终为锌空气电池构建出“从摇篮到摇篮”的闭环可持续体系。

Hyperquaternized Biomass-Derived Solid Electrolytes: Architecting Superionic Conduction for Sustainable Flexible Zinc-Air Batteries

张璟博士简介：张璟，化学与材料科学学院双龙学者特聘教授，硕士生导师。2015-2019年加拿大滑铁卢大学获化学工程博士学位，2019-2021年滑铁卢大学博士后，2021年9月加入浙江师范大学，主要从事新能源电池体系与材料的研究。在Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater.等权威期刊上发表学术论文50余篇，主持国家自然科学基金、浙江师范大学双龙学者科研启动费等科研项目，参与多项加拿大自然科学基金项目，及金华市科技局项目。曾获国家优秀自费留学生奖学金、国际电化学能源会议EEST优秀报告奖、滑铁卢大学优秀博士毕业论文、滑铁卢纳米中心优秀研究奖等。指导本科生立项国家级大学生创新创业训练、浙江省大学生科技创新活动计划（新苗人才计划）项目；指导学生获得全国大学生化学实验创新设计大赛全国一等奖、浙江省大学生化学竞赛一等奖。

胡恩来博士简介：胡恩来博士于2022年加入浙江师范大学化材学院，主要围绕镍/钴基复合材料的设计、合成及其在碱性电析氢、碘氧化的应用研究。主持国家自然科学基金青年项目等项目。以第一或通讯作者在Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., ACS Materials Lett.等期刊上发表论文20余篇。

陈忠伟院士简介：陈忠伟，加拿大皇家科学院院士、工程院院士。目前担任中国科学院大连化学物理研究所研究员，能源催化转化全国重点实验室主任、动力电池与系统研究部（DNL29）部长、加拿大皇家科学院委员会委员、国际电化学能源科学院（IAOEES）副主席，中国化学会旗舰期刊Renewables主编，Royal Society of Chemistry -Energy Environ. Book Series主编。陈忠伟院士2018-2023年连续六年被科睿唯安评为“全球高被引学者”，荣获：国际电化学能源科学卓越奖、加拿大最高国家科技奖、全世界TOP100,000科学家、全球能源科学与工程领域高被引学者、加拿大清洁能源先进材料领域资深首席科学家（Tier I）、加拿大皇家学会杰出青年学院成员、2018年卢瑟福纪念奖章、加拿大创新基金会领袖机遇基金奖等多个国际奖项。以第一作者和通讯作者身份，在Nature Energy、Nature Nanotechnology、Chemical Reviews、Chemical Society Reviews、Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie International Edition、Nature Communications、Joule、Matter、Chem、Advanced Materials、Energy & Environmental Science等国际重要学术刊物上发表论文600余篇，被引83500余次，H因子达148，另外，编著3部，申请/授权美国、中国和国际专利100余项，多项成果实现产业化转化和应用。