固态电池被广泛视为下一代高安全、高能量密度储能技术的核心方向，但其商业化的道路并不平坦——固-固界面阻抗大、材料成本居高不下，关键矿物的开采与加工也带来了沉重的环境负担。与此同时，全球每年产生约1640亿吨生物质资源，其中农业秸秆、林业废料和海洋副产物大多未被高值化利用。能否将这一巨大的可再生碳源转化为固态电池的关键部件，既是材料科学的机遇，也是对可持续发展命题的回应。

基于此，南京林业大学陈国伟教授联合加拿大滑铁卢大学团队在中国工程院Engineering集群分刊ENGINEERING Energy上发表了题为“Biomass-derived materials for next-generation solid-state batteries: From sustainable resources to advanced electrodes and electrolytes”的综述文章，全面剖析了生物质衍生碳、生物聚合物及其复合材料在固态电池电极、电解质、粘结剂和隔膜中的功能化机制与结构调控规律，为固态储能技术的研发绘制了从原料到器件集成的全景式框架。

图1. 分子结构。（a）纤维素；（b）半纤维素；（c）木质素；（d）淀粉；（e）甲壳素；（f）壳聚糖。

生物质材料的先天缺陷与后天突围

尽管生物质具有天然分级孔隙和丰富表面官能团等独特优势，但其实际应用仍面临三重结构性障碍。首先，不同来源、季节和产地的生物质在纤维素、木质素含量上差异显著，导致碳化产物的孔结构和石墨化程度波动大，难以满足电池材料的均一性要求。其次，原料中残留的碱金属或过渡金属离子即使处于痕量水平，也可能在电池工作电压下诱发副反应或自放电，而高纯度提纯往往伴随高昂能耗。最后，生物基固态电解质面临着离子电导率与机械强度之间典型的“跷跷板”效应。若通过增加聚合物链段运动来提升锂离子传导能力，往往会以牺牲膜的尺寸稳定性和抗枝晶穿刺能力为代价。这些相互耦合的约束使得实验室层面的“优异性能”在放大制备时难以复现。

如何复刻植物的天然通道？

该综述的突破性贡献在于系统归纳了三种跨越“原料-性能”鸿沟的设计策略：

通过热解、水热碳化和熔盐法对生物质碳进行孔隙工程与杂原子掺杂，可同时实现高比表面积（最高超过2500m²/g）和可控石墨化程度，从而在电极中兼顾离子传输通道与电子导电网络。

利用纤维素、木质素和壳聚糖中的极性官能团（-OH、-COOH、-NH₂），将其作为固态聚合物电解质的主链或填料，借助反复配位-解配位机制实现锂/锌离子的跳跃式传导，室温离子电导率可达10^-4S/cm量级。此外，木质素特有的酚基结构还能捕获自由基，从而显著抑制高压正极侧的电解液氧化。

将木材或细菌纤维素作为牺牲模板，复制其低曲度定向通道结构，用于构筑LLZO（Li₇La₃Zr₂O₁₂）或LAGP（Li_1.5Al_0.5Ge_1.5(PO₄)₃）陶瓷电解质的三维连续骨架，使复合电解质的离子电导率提升至最高1.8×10^-4S/cm，并有效降低晶界电阻。

图2.生物质衍生碳气凝胶及其在电极材料中的应用

图2展示了以天然淀粉为前驱体构筑碳气凝胶电极骨架的典型路径。通过糊化、溶剂交换和热解得到三维多孔碳网络，与钛酸锂复合后，在5C倍率下循环超过1000次，放电容量保持率达106%，说明生物质衍生碳骨架在快充电极设计中具有结构适配性。

图3.以生物质衍生材料为模板制备复合固态电解质（CSEs）

图3展示了细菌纤维素模板法制备的定向LLZO陶瓷网络。该结构保留了纤维素的纳米纤维形貌，经聚环氧乙烷（PEO）渗透后形成柔性复合电解质，在室温下离子电导率稳定在1.1×10^-4S/cm以上，同时抑制了锂枝晶的贯穿性生长。

图4.壳聚糖基自修复粘结剂：合成与电化学性能。（a）壳聚糖基粘结剂的合成过程；（b）比放电容量的循环性能；（c）循环过程中相应的库仑效率。

图4展示了壳聚糖基自修复粘结剂的动态交联网络。通过席夫碱键实现机械损伤后的自主修复（修复效率>90%），其极性基团同时均化电极表面离子通量，使石墨负极在250次循环后容量保持率达81%。

废弃物变身电池“黑科技”还有多远？

生物质材料在固态电池中的竞争力目前仍处于“实验室可比、工业未验证”的阶段。其最直接的应用突破口并非全固态电池中的核心电解质层，而是硬碳负极、功能性隔膜涂层和高压正极粘结剂——这些场景对材料纯度要求相对宽容，且生物质的成本优势和可降解性可转化为明确的环境溢价。然而，要真正实现商业化替代，仍需解决两大难题：一是建立针对电池级生物质原料的质量分级标准和低成本纯化工艺，二是通过人工智能（AI）辅助的高通量筛选，加速解析孔隙结构、官能团类型与电化学稳定性之间的定量构效关系。

生物质材料并非传统石化材料的“完美替代品”，其在固态电池中有其明确的应用边界。文章着重分析了从原始生物质到功能化电极/电解质材料的工程化制备路径，并针对关键性能指标提供了系统的文献数据支撑。在兼顾材料可持续性与器件高性能需求的背景下，这种基于构效关系的理性评估，为后续研究厘清了从实验室制备向工程化应用转化的关键逻辑。（来源：EngineeringJournals微信公众号）

相关论文信息：https://journal.hep.com.cn/fie/EN/10.1007/s11708-026-1078-9