针对上述挑战，大连工业大学孙润仓教授、任文锋副教授和中国科学院大连化学物理研究所陈忠伟院士、窦浩桢研究员合作，提出了一种“生物质细胞质重构”策略，通过简单且节能的盐渍技术，开发出一种新型生物质水凝胶电解质。该电解质以天然海带为原料，经锌盐溶液盐渍处理后，直接用作水系锌金属电池的水凝胶电解质，避免了复杂的聚合和提取过程。实验表明，该自支撑海带基水凝胶电解质（SKHE）具有高达11.6 MPa的机械强度、20.27 mS cm⁻¹的离子电导率和1.4×10⁻⁵ cm² s⁻¹的超高扩散系数。基于此，锌金属电池实现了100 mA cm⁻²的高电流放电能力、-60 °C至80 °C的超宽工作温度范围。10×10 cm²的Zn-I₂软包电池循环寿命达2200次，20×50 cm²的安时级软包电池首圈容量达1.3 Ah，400次循环后容量保持率为80%，并成功应用于光伏-电池集成储能系统。该策略在铝金属电池中同样得到验证，展示了其普适性，且成本仅为石油基水凝胶电解质的约三分之一，具有显著的可持续性优势。相关论文以“Robust Biomass Hydrogel Electrolyte via Cytoplasm Reconstruction for Ah-Level Aqueous Batteries”为题，发表在Advanced Materials上。

研究团队首先展示了SKHE的规模化制备流程与结构重构机制。天然海带经水洗、金属盐溶液盐渍、辊压和切片收集，即可实现大面积制备（图1a）。盐渍过程引发细胞壁与细胞质之间的质壁分离，随后细胞膜破碎溶解，细胞质在细胞壁骨架内重构形成均相水凝胶（图1b）。细胞壁中藻酸盐和纤维素的含氧基团与金属离子交联，进一步增强骨架强度（图1c）；而细胞质和细胞膜中的海带多糖、蛋白质及磷脂则与金属离子配位，构建快速离子传输通道（图1d）。盐渍3小时后可观察到明显的质壁分离现象，盐渍10小时后细胞膜在应力变化下破裂并完成重构，最终形成兼具高离子电导率细胞质和坚固自支撑细胞壁的SKHE，直接用作水系电池的水凝胶电解质（图1e）。

图1 SKHE的制备方法与结构重构机制。（a）SKHE规模化生产技术示意图。（b）SKHE中质壁分离和膜裂解诱导的结构重构。（c）细胞壁组分与金属离子的配位效应。（d）SKHE的细胞膜破碎与细胞质重构。（e）以SKHE为水凝胶电解质的水系电池。

在物理结构表征方面，天然海带表面光滑平坦（图2a），经盐渍和辊压后SKHE仍保持平整，可与电极紧密贴合。生物透射电镜显示，新鲜海带细胞具有完整的细胞壁、细胞膜和细胞质结构（图2b）；盐渍3小时后发生质壁分离（图2c）；盐渍10小时后细胞膜在应力变化下破裂，细胞质组分流出、外部Zn²⁺流入，形成均相水凝胶（图2d）。计算机断层扫描（CT）证实SKHE具有分层互连的多孔结构（图2e），孔径主要集中在3–50 µm（图2f），可作为离子传输通道。去除细胞质后的细胞壁骨架呈现三维网络结构（图2g），而飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）显示Zn、S、O、N元素在SKHE中均匀分布（图2h），验证了多糖/蛋白质细胞质重构的成功。

图2 SKHE的物理结构。（a）天然海带的光学照片。（b-d）新鲜海带及在锌盐溶液中盐渍（c）3小时和（d）10小时后SKHE的生物透射电镜图像。（e）SKHE的CT体相结构与多孔成像。（f）CT测试得到的SKHE孔径分布。（g）分离的细胞壁骨架扫描电镜图像。（h）SKHE中Zn、S、O、N的TOF-SIMS三维渲染图像。

化学结构与性能表征进一步揭示了SKHE的微观作用机制。傅里叶变换红外光谱（FTIR）显示，细胞壁骨架中纤维素的特征峰（1032 cm⁻¹）以及细胞质填料中多糖和蛋白质的C=O和C=N峰（1614、1423、1255 cm⁻¹）均发生位移（图3a），证实了细胞壁交联与细胞质重构。蛋白质质谱鉴定出SKHE中含有超过23种蛋白质（图3b），表明细胞膜和细胞质中丰富的蛋白质参与了金属离子的传输与结合。力学性能测试显示，SKHE的抗拉强度达11.6 MPa，显著优于天然海带的2.5 MPa（图3c），且超越多数已报道的石油基和生物质基水凝胶电解质（图3d）。离子扩散实验表明，Zn²⁺在SKHE中可有效扩散传输（图3f），理论计算进一步证实SKHE各组分与Zn²⁺的结合能优于与水分子（图3g）。电化学阻抗谱（EIS）和计时安培法（CA）测试显示SKHE具有优异的离子电导率（图3h,i），分子动力学模拟表明Zn²⁺在SKHE中30 ns内即可实现有效扩散（图3j），其扩散系数远优于已报道工作（图3k）。

图3 SKHE的化学结构与性能表征。（a）SKHE中细胞壁骨架和细胞质填料的FTIR光谱。（b）蛋白质质谱鉴定的SKHE中蛋白质种类及含量。（c）海带与SKHE的力学性能测试。（d）与已报道工作的机械强度对比统计图。（e）电池体系中浓度梯度和电场强度下的离子传输。（f）Zn²⁺通过SKHE的扩散速率实验。（g）SKHE各组分与Zn²⁺离子和H₂O分子的结合能。（h）SKHE与PAM的离子电导率。（i）SKHE的EIS谱图和CA测试。（j）0至30 ns内SKHE中Zn²⁺的扩散模型。（k）SKHE与已报道工作的离子扩散系数对比。

界面调控研究揭示了SKHE对锌负极的稳定化作用。TOF-SIMS三维成像显示，循环后的锌负极表面ZnO⁻、ZnF⁻、S⁻和CN⁻信号随刻蚀时间呈梯度变化（图4a,b），X射线光电子能谱（XPS）进一步确认了含S、N、F物种在SEI层中的分布（图4c）。原位拉曼光谱表明SKHE有效抑制了析氢反应（图4d），原位X射线衍射（XRD）证实SKHE诱导锌沿(002)晶面择优沉积（图4e）。扫描电镜（SEM）显示循环后锌负极表面光滑无枝晶（图4f），高分辨透射电镜（HRTEM）进一步证实了平行取向的致密锌沉积层（图4g）。

图4 SKHE对锌负极的界面调控。（a）循环后锌负极的TOF-SIMS三维渲染图像及（b）对应的ZnO⁻、ZnF⁻、S⁻和CN⁻强度随刻蚀时间变化。（c）不同Ar⁺溅射时间后锌表面S2p、N1s、F1s和Zn2p的XPS光谱。（d）SKHE中锌负极的原位拉曼光谱。（e）SKHE和ZTF中锌负极的原位XRD图谱。（f）SKHE中锌负极循环50次后的SEM图像。（g）SKHE中沉积锌负极的HRTEM图像。

电化学性能测试结果令人瞩目。Zn//Zn对称电池在0.2 mA cm⁻²和0.2 mAh cm⁻²条件下稳定循环时间达3350小时，在1 mA cm⁻²和0.5 mAh cm⁻²条件下稳定循环时间达3000小时，远超液态电解液的200小时（图5a），性能优于多数已报道工作（图5b）。即使在100 mA cm⁻²的高电流密度和5 mAh cm⁻²的大容量下，仍可稳定循环5000次（图5c）。低温-60 °C下可稳定循环300小时，高温60 °C下循环560小时（图5d），展现了超宽工作温度范围。Zn//Cu不对称电池库仑效率达99.1%，可稳定循环1600次（图5e）。该策略在铝金属电池中同样验证成功（图5f），证实了生物质细胞质重构概念的普适性（图5g）。Zn-I₂扣式电池在1 A g⁻¹电流密度下循环寿命长达2200次（图5h），远超已报道工作（图5i）。

图5 SKHE中锌负极和Zn-I₂电池的电化学性能。（a）ZTF和SKHE中锌负极在1 mA cm⁻²和0.5 mAh cm⁻²下的循环性能。（b）与已报道工作的对比统计图。（c）SKHE中锌负极在100 mA cm⁻²和5 mAh cm⁻²下的循环性能。（d）SKHE中锌负极在-60 °C低温和60 °C高温下的性能。（e）SKHE中锌负极的库仑效率曲线。（f）SKHE中铝负极在0.2 mA cm⁻²和0.2 mAh cm⁻²下的循环性能。（g）锌或铝金属电池示意图。（h）10 × 10 cm² Zn-I₂软包电池的循环性能。（i）与已报道工作的对比统计图。

在实际应用演示中，研究团队制备了20 cm × 50 cm的大面积Zn-I₂软包电池（图6a），首圈容量达1.3 Ah，400次循环后容量保持率为80%（图6b）。该电池成功驱动LED灯、电子手表、玩具车和手机，并与太阳能板集成，为探照灯、电风扇和显示屏供电（图6c）。循环后的SKHE仍保持6 MPa的抗拉强度和28%的断裂伸长率（图6d），将循环后的SKHE重新浸泡在锌盐溶液中，其组装的Zn-I₂电池性能可有效恢复（图6e）。降解实验表明SKHE在土壤中可快速降解（图6f），其生产成本较聚丙烯酸（PAA）和羧甲基纤维素（CMC）大幅降低（图6g），且环境影响评估显示其在多个指标上具有显著优势（图6h,i），展现了良好的经济性和环境友好性。

图6 SKHE的储能应用演示、经济效能与环境影响。（a）20 cm × 50 cm Zn-I₂软包电池示意图及光学照片及（b）0.1 A g⁻¹下的相应循环性能。（c）储能演示光学照片。（d）循环后SKHE的抗拉强度。（e）将循环后的SKHE重新浸泡在锌盐溶液中组装的Zn-I₂电池的循环性能。（f）海带和SKHE的生物降解性能。（g）生产成本及（h,i）SKHE、PAA和CMC的环境影响评估。

总结与展望

该研究提出的生物质细胞质重构策略，通过简单盐渍工艺将天然海带直接转化为高性能水凝胶电解质，成功解决了传统水凝胶电解质机械性能差、离子电导率低、工艺复杂及可持续性不足等核心问题。SKHE兼具超高机械强度、优异离子传导能力和宽温域稳定性，在锌金属电池和铝金属电池中均表现出卓越性能，安时级软包电池的成功运行及光伏储能系统的实际验证，标志着该技术向实用化迈出了重要一步。更值得注意的是，该生物质水凝胶电解质成本仅为石油基产品的约三分之一，且具备良好的生物降解性，为绿色、可持续的水系电池储能技术开辟了新方向。这项工作不仅为高性能水凝胶电解质的设计提供了新范式，也为推动储能领域的绿色可持续发展贡献了中国方案。