近日，天津科技大学刘苇教授团队与武汉大学陈朝吉教授团队于Science Bulletin 联合发表题为“Multiple hydrogen-bond networks enable bio-nanocomposite gel electrolytes with low water activity and anti-freezing ability for ultra-stable aqueous zinc-ion batteries”的研究论文。

该工作将木质素基碳量子点和纤维素纳米纤丝引入聚丙烯酰胺凝胶基质中，构筑了多组分协同的“多重氢键网络”，为开发宽温域超长寿命水系锌离子电池提供了新思路。

水系锌离子电池凭借高安全、低成本、环保等优势，已经成为下一代大规模储能和柔性电子设备的理想选择。然而，水分子之间强烈的氢键网络成为阻碍电池性能提升的关键瓶颈。常温下，自由水引发的析氢、腐蚀等副反应会导致电池寿命大幅缩水；低温下，水分子形成的冰晶会“冻住”离子通道。如何在不依赖有机溶剂的条件下有效地降低水分子的活性，已成为制约水系电池发展的核心科学挑战。

构建能够调控水分子活性的网络，关键在于找到能够与大量水分子结合的材料。生物质材料在这方面具有突出的优势。其中，纤维素纳米纤丝表面富含的羟基、羧基等基团能够与水分子形成氢键；木质素基碳量子点含有大量的羧基、羟基和氨基，进一步丰富了氢键作用位点。更重要的是，这些生物基材料自身具有天然的多尺度结构特征。零维的碳量子点和一维的纤维素纳米纤丝在空间上可协同排列，可以利用其尺度差异构筑立体的、多层次的氢键网络。因此，生物质材料兼具官能团丰富性与多尺度协同性，是调控水分子活性的理想前驱体。

图1 零维碳量子点、一维纤维素纳米纤丝与三维凝胶骨架协同构筑多重氢键网络的示意图

基于上述设计理念，该研究提出了“多重氢键网络”的设计策略，即通过在聚丙烯酰胺凝胶中引入木质素基碳量子点（零维）和纤维素纳米纤丝（一维）的复合物，成功构建了具有多样性氢键类型和多尺度空间结构的“多重氢键网络”，实现了对水分子的活性的有效调控（图1）。

一方面，凝胶电解质中的多种组分（如羧基、羟基、酰胺基、高氯酸根等）与水分子之间形成了大量弱氢键，有效破坏了水分子之间原有的强氢键网络。通过将水分子“锁定”在凝胶电解质网络中，显著降低了自由水的活性，从而有效地抑制了析氢和腐蚀等副反应。实验结果显示，凝胶电解质中弱氢键的比例高达50.76%，而强氢键仅占4.38%。同时，自由水含量的减少也赋予了凝胶电解质优异的抗冻性能，即使温度降低至–30 °C，体系依然保持柔韧不冻结。另一方面，零维碳量子点、一维纤维素纳米纤丝与三维聚合物骨架在空间上协同构建了多尺度结构。该结构不仅赋予凝胶电解质优异的力学性能（拉伸应变达1170%，压缩强度2.36 MPa），还提供了快速、均匀的离子传输通道，室温下的离子电导率高达59.32 mS cm^–1。

得益于这种独特的“多重氢键网络”设计，采用该凝胶电解质的锌对称电池在室温下可稳定循环超过10000小时，即使在–30 °C的低温环境中也能稳定运行4000小时以上。所组装的全电池在–30 °C下循环15000次后，容量保持率仍高达84.9%。此外，封装后的软包电池在经历反复弯折、锤击、针刺、剪切等严苛机械测试，仍能稳定为LED灯阵供电。这充分证明了该凝胶电解质在极端机械损伤和寒冷环境下的稳定性与安全性。

该凝胶电解质以木质素、纤维素等可再生的生物质资源为核心原料，具备规模化生产的潜力。相比传统液态电解液需添加昂贵且难回收的添加剂，这种一体化凝胶电解质凭借“多重氢键网络”设计，集抗冻、高电导、长循环于一体，有望成为柔性电子、可穿戴设备及极端环境储能电源的绿色解决方案。该研究不仅为利用生物质纳米材料调控水活性提供了创新思路，同时也为构建宽温域、超长寿命的水系锌离子电池开辟了可行的技术途径。基于多重氢键网络的凝胶电解质体系，有望在未来的多元化能源存储场景中发挥关键作用。

该研究受到国家自然科学基金（32071715）、天津市自然科学基金（22JCZDJC00560）和天津市科技计划项目（25ZXZSSS00730、25ZXZSSS00800）资助。陈朝吉感谢国家自然科学基金国际（地区）合作与交流项目（22461142135）和荆州市企业技术攻关揭榜制项目（2026JA04）的资助。