东北林大于海鹏/沈阳化大赵大伟教授， ESM：生物基双网络凝胶电解质赋能柔性锌离子电池，循环1500次容量保持97.67%！

第一作者：郑子豪

通讯作者：赵大伟*、于海鹏*

单位：东北林业大学，沈阳化工大学，西北农林科技大学

柔性锌离子电池在可穿戴电子领域应用前景广阔，但传统凝胶电解质面临机械强度低、离子传导不足、枝晶生长等问题。生物基材料（如纤维素、丝素蛋白）凭借可降解性、丰富官能团和可持续性成为理想候选，然而多组分界面相容性差、离子通道不连续等挑战限制了其应用。本研究通过绿色溶剂协同组装策略，首次构建了兼具高力学强度与离子电导率的双网络凝胶电解质，为高性能柔性电池提供了新思路。

近日，东北林业大学于海鹏教授与沈阳化工大学赵大伟教授团队在Energy Storage Materials发表题为“Bio-based supramolecular dual-network gel electrolytes for high-performance flexible Zn-ion batteries”的研究。该工作创新性地利用深共晶溶剂（DES）共溶纤维素与丝素蛋白，通过乙醇蒸气诱导超分子自组装，成功制备了双网络凝胶电解质（CS-gel）。该凝胶通过氢键网络与β-折叠微晶域协同作用，同步实现1.14 MPa拉伸强度与14.39 mS cm⁻¹高离子电导率，并显著抑制锌枝晶生长。基于CS-gel的柔性锌离子电池在1500次循环后容量保持率高达97.67%，且在弯曲和-20°C低温下性能稳定，为可持续柔性储能开辟新路径。

采用ZnCl₂/甲酸深共晶溶剂（DES）在室温下共溶纤维素与丝素蛋白，避免传统溶剂对蛋白质结构的破坏；乙醇蒸气诱导分子自组装，形成交织的氢键网络（纤维素）与β-折叠晶体域（丝素蛋白），构建致密但柔性的三维离子通道（图1）。

CS-63凝胶（纤维素:丝素蛋白=6:3）性能最优：拉伸强度1.14 MPa（优于多数报道凝胶），离子电导率14.39 mS cm⁻¹，Zn²⁺迁移数达0.79（图2）；热稳定性优异（耐175°C），且可长时间保持水分和离子电导率，适用于柔性器件。

凝胶中丰富的-OH、-NH₂、-COOH基团动态竞争配位Zn²⁺，减少活性水分子，抑制副反应（图3）。分子模拟证实：纤维素/丝素蛋白与Zn²⁺结合能高于水分子，促进去溶剂化；诱导锌沿(002)晶面均匀沉积，消除枝晶。

Zn//MnO₂电池在0.5 A g⁻¹下循环1500次容量保持97.67%，5 A g⁻¹高倍率循环1000次仍稳定（图4）；在180°弯折、-20°C低温环境下容量无衰减，可为LED灯、电子表持续供电，展现卓越环境适应性。

总之，本研究开发了一种基于深共晶溶剂共溶与乙醇诱导自组装的绿色可持续策略，成功构建了纤维素-丝素蛋白双网络超分子凝胶电解质（CS-gel）。该电解质通过氢键三维网络与β-折叠微晶域的协同增强作用，实现了力学性能与离子电导率的良好平衡，其拉伸强度达1.14 MPa，离子电导率为14.39 mS cm^-1，Zn²⁺迁移数为0.79。机理研究表明，CS-gel中丰富的极性官能团可有效调控锌离子溶剂化结构，抑制枝晶生长与副反应，从而显著提升了柔性锌离子电池的循环稳定性与环境适应性。该电池在1500次循环后容量保持率高达97.67%，且在弯曲和-20 ℃低温条件下仍表现出色。这项工作不仅为高性能、可持续柔性锌离子电池提供了一种新型电解质设计思路，其超分子双网络策略也为生物基能源材料在可穿戴电子、医疗健康设备和软机器人等领域的应用开辟了新途径。未来研究可进一步探索更多生物高分子组合、界面修饰技术以及大面积器件集成工艺，推动该类材料走向实际应用。

Bio-based supramolecular dual-network gel electrolytes with synergistic mechanical robustness and ionic conductivity for high-performance flexible Zn-ion batteries

赵大伟，男，博士生导师，Research期刊，能源与材料方向编委；EcoMat期刊，生物质功能材料与绿色资源方向青年编委；Resources Chemicals and materials（RCM），中国卓越高起点期刊，创刊编辑，负责生物质新材料与高端化学品炼制；中国林学会木材科学分会理事；辽宁省化工学会生物质能源与材料专业委员会委员等。聚焦于生物质纤维素分子构建功能离子凝胶、生物塑料及柔性电子件研究，作为第一作者/通讯作者在Nature Synthesis、Nature Communication、Advanced Materials、Research、Matter、Progress in Materials Science等期刊发表SCI论文40余篇。

于海鹏，男，博士生导师，担任东北林业大学副校长，黑龙江省级领军人才梯队带头人。主持国家杰出青年科学基金、优秀青年科学基金、国家自然科学基金、黑龙江省杰出青年科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金等项目。兼任国家重点研发计划林业重点专项总体专家组成员、国家自然科学基金学科评审组成员、中国林学会木材科学分会副理事长兼秘书长、J. Renew. Mater.副主编、J. Forestry Res.副编辑、《生物质化学工程》副主编等。主要从事林木生物质精炼等研究工作，获授权发明专利 12 件，在 Nat. Synth.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Matter等期刊发表 SCI 论文百余篇，出版著作 8 部。获霍英东青年教师奖一等奖、中国林业青年科技奖、黑龙江省青年科技奖；参与获得省部级一、二等奖5项。

郑子豪，东北林业大学（2023级）木材科学与技术专业直博生，师从于海鹏教授和赵大伟教授。当前的研究致力于纤维素基凝胶电解质的设计与合成，以及柔性电池及其他储能器件的开发与应用。