用于电池和超级电容器的生物基材料：可持续能源系统的创新——综合综述

《Journal of Energy Storage》：Bio-based materials for batteries and supercapacitors: Innovations in sustainable energy systems — A comprehensive review

　　

• 生物基材料为绿色电极和电解质组件提供了可持续、低成本的选择。
• 木质素、纤维素和生物炭具有可调的孔隙率，可增强电化学性能。
• 杂原子掺杂碳提升了导电性、离子传输和整体电荷储存容量。
• 生物聚合物隔膜和粘合剂可实现柔韧、安全且可生物降解的储能器件。
• 生物质衍生电极为超级电容器提供了具有竞争力的循环稳定性和能量密度。

**引言**

全球向可再生能源的转型增加了对高效、可扩展储能技术的需求，以管理太阳能和风能的间歇性，同时支持交通电气化和电网稳定。根据国际能源署（IEA）的数据，2023年电池储能部署量翻了一番多，2024年年度新增装机量超过75 GW，未来仍需大幅扩展以支持清洁能源转型和净零排放情景[1]，[2]。国际可再生能源署（IRENA）强调，到2030年将可再生能源装机容量扩大三倍，电池储能需从2020年的约17 GW增长至2025年底的潜在5149 GW[3]。这些目标受气候承诺和能源需求增长的推动，凸显了先进电池（锂离子电池、钠离子电池）和超级电容器在实现可持续发展目标（SDGs）中的关键作用。

传统储能系统主要使用石油衍生或矿产开采的材料，如合成石墨负极、聚偏二氟乙烯（PVDF）粘合剂和有机碳酸盐电解质。这些材料带来了相当大的可持续性隐忧，包括开采和加工过程中的大碳足迹、资源耗竭以及环境污染（如水体毒性和排放）[4]。不可生物降解材料的终末期废弃处理加剧了长期生态责任，凸显了对更环保替代品的迫切需求。

来源于可再生生物质原料（如木质纤维素、农业废弃物、藻类和天然聚合物（例如纤维素、壳聚糖、木质素）的生物材料具有显著优势：储量丰富、成本低廉、天然可生物降解，并且通过降低能耗加工和契合循环经济模式显著减少了环境影响[5]。这类材料可用于电极（如生物质衍生碳）、粘合剂/隔膜（如纤维素衍生物）、电解质（如天然来源凝胶聚合物）以及复合材料，从而实现具有正面生命周期评估的高性能器件[6]。

全球能源需求持续增长、CO?排放增加以及可再生能源系统的需求，强调了氢作为清洁载能体的重要性，其质量能量密度高达120–142 MJ kg?1，同时指出水电解目前约占全球氢气产量的4%。随后解释了水分解的基本原理，包括1.23 V的热力学电位、额外过电位的必要性，以及2电子析氢反应（HER）和4电子析氧反应（OER）的区别，其中OER被确定为动力学限制反应。讨论进一步回顾了电催化剂的发展演变，从贵金属（Pt、IrO?和RuO?）到地壳丰度丰富的过渡金属化合物、二维材料、MOFs/COFs以及碳基催化剂，以及缺陷工程、掺杂、合金化和异质结构设计等策略[7]。

本文分析聚焦于生物基材料在电化学储能系统中的最新进展，重点涉及锂离子电池（LIBs）、钠离子电池（SIBs）、超越锂电池体系和超级电容器。讨论了材料合成、性能提升、器件集成、可持续性评估、面临的障碍与展望，以及柔性/可穿戴器件和氧化还原液流电池等领域的应用发展。

本综述对生物基材料在多种电化学储能技术中的综合评估详尽而全面，与2024–2026年间发表的近期综述相比，后者主要集中于单一方面，如生物质衍生碳电极、特定电池化学体系或超级电容器材料。

本综述的主要原创贡献如下：
• 电池和超级电容器的生物基电极、电解质、隔膜、粘合剂和复合材料一并讨论。
• 对比评估不同生物质原料的可持续合成技术。
• 对结构-性能关联、材料设计原则和电化学性能进行批判性评估。
• 整合了生命周期评估（LCA）、循环生物经济原则、机器学习优化、AI辅助材料发现及商业化路径的最新进展。
• 识别可持续储能的展望以及当前研究空白和技术制约。

本研究材料从多个主要科学数据库中系统地收集，包括Scopus、Web of Science、ScienceDirect、SpringerLink、Wiley Online Library、ACS Publications、RSC、IEEE Xplore和MDPI。使用包含生物基材料、生物质获得碳、天然聚合物电解质、仿生电极、电池、超级电容器、储能、可持续材料和电化学性能等术语的布尔组合进行详尽搜索。优先考虑2018年至2026年发表的同行评审期刊论文，重点关注2022年至2026年间的高影响力研究。排除重复记录、非同行评审文章、无完整论文的会议摘要，以及电化学表征不足或科学意义有限的研究。最终选择时考虑了科学质量、创新性、引用效果、实验可靠性和适用于生物基电化学储能材料的应用性。

生物启发的混合材料通过将合成基质与自然生物蓝图相结合，显著提高了可持续能源效率。重要创新包括莲花叶面地形，提供95%的自清洁效率；闪蝶翅膀图案，将太阳能光收集效率提高15%；以及仿珍珠层的电极架构，使储能容量翻倍。受闪蝶翅膀启发的纳米涂层改善了光收集效率和角度。受类囊体启发的人工系统实现了约580 fs的超快电荷分离时间。工程化病毒构建的太阳能电池实现了高达10.6%的功率转换效率。砖石分层设计减少了电池中的枝晶生长，并将断裂韧性提高了3.1倍。珊瑚状超级电容器电极在97%的倍率保持率下达到了1661 F g?1的比电容。壳聚糖、壳聚糖和木质素为绿色超级电容器提供了廉价、可生物降解的替代品，实现稳定的离子传输。莲叶的超疏水纹理保护了户外太阳能阵列免受积尘退化。集成的动态分子键合提供了自愈合特性，减少了长循环中的机械磨损[8]。

自2010年代初以来，生物基储能材料的研究蓬勃发展，这得益于钠离子技术的复兴和可持续性问题。表1中的关键里程碑包括：

从2000年代到2010年代，研究者探索了这些生物质衍生活性炭在超级电容器中的应用，从椰子壳和稻壳等前驱体材料获得了大比表面积（>2000 m2 g?1）和高电容（>300 F g?1）[9]，[10]。

2011至2015年，生物质衍生硬碳（如糖、泥炭、木质素）被用作钠离子电池（SIBs）的高容量负极，容量超过300 mAh g?1，重新引发了对非锂基组件体系的研究兴趣[11]。

2018至2020年——天然聚合物（如纤维素、壳聚糖、海藻酸盐）被广泛用作锂离子/钠离子电池中环境友好的粘合剂和隔膜，改善了机械稳定性、循环性和可生物降解性[12]。

2021至2023年——杂原子掺杂生物质碳和凝胶聚合物电解质取得进展，离子电导率超过10?3 S cm?1，全电池演示表现出延长的循环寿命[13]。

2024至2026年——开发了先进复合材料、仿生分层设计和可扩展原型，更加重视生命周期分析和商业化[14]。

时间线展示了从基础材料发现到实用、可持续器件集成的演进过程，确立了生物基技术作为下一代绿色储能的基础。

储能材料的生物基起始原料通常来源于 inexhaustible 生物质，为化石燃料提供了更可持续的替代品。这些前驱体丰富、成本低廉，且通常来自废物流，符合循环经济理念，将农业、林业和城市废弃物转化为高价值的碳材料、聚合物和复合材料[15]。前驱体的选择对衍生材料在电池和超级电容器中的结构特性（孔隙率、杂原子含量）和性能有重大影响。

生物质原料按来源和成分分为四类：木质纤维素类、藻类、富含蛋白质类和废弃物衍生类（包括农业和食品加工废料）。

木质纤维素生物质是最大的且使用最广泛的类别，如图1所示，由纤维素（40–50%）、半纤维素（20–40%）和木质素（15–35%）组成。来源包括林业剩余物（如木材、树皮、锯末）、农作物（如玉米秸秆、小麦秸秆、稻壳）和能源作物（如柳枝稷、芒草）。由于其自然的标准化结构，这些原料提供了适用于钠离子电池负极的硬碳或适用于超级电容器的活性炭[16]，[17]，[18]。

藻类生物质来源于微藻（如螺旋藻、小球藻）或大型藻类（海藻），富含蛋白质、脂质和碳水化合物。其固有的杂原子掺杂（N、S）和快速生长速度使其适用于高电容电极的氮掺杂碳[19]。

动物废弃物以高蛋白含量为特征，包括鸡羽毛、鱼鳞、人类毛发、蟹/虾壳和蚕茧。它们天然含氮（高达15%）和硫，这使得在碳化过程中可以实现自掺杂，从而提高赝电容[20]。

食品和有机废弃物包括果皮（如香蕉、橙子）、坚果壳（如花生、椰子）、剩余咖啡渣和落叶，代表了废弃物到财富的转化，在减轻填埋负担的同时提供了具有多种形态（如椰子壳的孔隙率）的低成本前驱体[21]。

大麻纤维增强的氧化钴复合材料（16 g Co?O?，样品4）具有优异的机械和热特性，适用于储能应用。经过5000次循环后，该复合材料在反复充放电过程中表现出卓越的耐久性，拉伸强度为79.14 MPa，弯曲强度为81.35 MPa，疲劳强度为83.19 MPa。其高热变形温度（127°C）和高热导率（34.6 W m?1 K?1）促进了有效散热和增强安全性。热重分析证实了改善的热稳定性，在400°C时残余质量为35%。这些特性表明该复合材料可以延长电池和超级电容器的使用寿命和结构可靠性[22]。

生物质转化为储能可用材料的过程始于预处理，以分解复杂结构（见表2），随后进行碳化和活化以调节孔隙率和表面化学。

机械研磨、酸/碱水解过程和酶解是分离组分（例如纤维素或木质素提取）的常见预处理方法。可以通过碱处理或发酵提取和纯化纤维素或壳聚糖等聚合物，以生产粘合剂或凝胶电解质[28]。

主要碳化方法包括：
• 热解：在500–900°C下的热分解过程，产生产率为20–40%的生物炭，适用于干性原料但能耗较高[29]。
• 水热碳化（HTC）：在150至250°C的亚临界水条件下进行，适用于湿性生物质。HTC涉及水解、脱水、脱羧、聚合和芳构化，产生产率为40–70%的水热炭，含有含氧官能团（OFGs）、球形形态，能效高且保留了杂原子，有时会进行孔隙率后活化[30]，[31]。活化可提高比表面积（SSA > 2000 m2 g?1）和孔体积。
• 化学活化（如KOH、ZnCl?、H?PO?）通过氧化还原反应产生微孔和介孔。
• 物理活化（700–900°C下的蒸汽或CO?）更环保，但比表面积SSA较低。联合工艺（如HTC后接KOH活化）或新型方法（如熔盐、类Fenton预处理）改善了用于储能器件离子传输的孔结构[32]。

生物基前驱体材料由于其可再生性和废弃物增值而在可持续性方面表现优异。生命周期评估（LCA）显示其碳足迹远低于合成石墨或石油衍生碳，通过填埋转移和闭环系统减少了温室气体排放[10]。用水量适中（HTC因水基处理用量较大，但可回收），通过利用剩余物而非与食物竞争的作物降低了土地使用影响。经济指标显示前驱体成本极低（废弃物<$1 kg?1）并具有碳中和生产潜力，符合SDGs[33]。

**章节摘要**

**生物基碳材料**

生物基碳材料是可持续电化学储能系统的基础，利用可再生生物质前驱体开发高性能电池和超级电容器电极。这些材料提供了可定制的微观结构、大比表面积和固有的杂原子整合，通常优于或匹敌合成同类产品，同时降低了环境影响[14]，[15]。生物碳主要通过碳化和活化过程获得。

**生物基聚合物和凝胶电解质**

来源于自然来源——植物、藻类和甲壳类动物的生物基聚合物越来越多地用于电化学储能中，作为粘合剂、隔膜和电解质基质，性能超过聚偏二氟乙烯（PVDF）或聚环氧乙烷（PEO）等合成聚合物[58]。天然聚合物具有固有的可生物降解性、无毒特性、丰富的官能团（如羟基、羧基、氨基）用于离子配位，以及与水基或绿色溶剂的兼容性，符合……

**生物基复合材料和混合材料**

生物基复合材料和混合材料将多种可再生资源（如生物质衍生碳、聚合物和活性物种）混合，或将其纳入仿生设计中，在电化学储能中提供多功能性能。这类混合材料弥补了单一材料的缺陷，如天然聚合物导电性低、高容量负极体积膨胀和多孔碳机械强度有限的问题，同时通过……改善了整体可持续性。

**与商用基准的对比**

生物基全电池系统在成本和可持续性方面与商用系统展现出令人鼓舞的对比，但比能量密度差异仍然存在。商用石墨基锂离子电池达到250–300 Wh kg?1，循环超过2000次，成本约为$100–150 kWh?1。新兴的钠离子电池（SIBs）目标为150–200 Wh kg?1，由于钠资源丰富，成本更低（<$80 kWh?1）。

基于生物基材料的软包电池（SIB）比能量可达120–160 Wh kg?1（例如，优化的硬碳/NVP体系可达140 Wh kg?1），在可持续性

**可持续性与技术经济评估**

在储能领域使用生物基材料与全球可持续发展目标高度契合，能够降低环境影响、实现闭环系统的可能，并在绿色技术需求不断增长的背景下具备经济可行性。利用生命周期分析（LCA）、可扩展性评估和循环经济框架进行的综合评估表明，生物基材料在诸多方面显著优于传统的石油基或矿石来源材料，但在标准化方面仍存在不足。

**挑战与局限**

生物基材料在储能领域的广泛应用面临若干技术、实践和社会层面的困难。这些障碍源于材料固有性质的限制、供应链的不一致性、环境效益的权衡以及法规的不完善，所有这些问题都需要解决才能实现大规模商业化。克服这些挑战需要材料工程、标准化加工、可持续原料采购以及政策制定等多学科协同努力。

**未来方向与展望**

天然材料（生物基材料）有望在实现可持续电化学储能方面发挥革命性作用，通过减少对关键矿产资源的依赖、降低碳足迹以及与循环经济体系的整合，助力实现2050年全球净零排放目标。研究正从概念验证阶段取得进展，未来的工作将聚焦于精准生物质定制、利用数字技术加速材料发现、多功能设计以及向不同应用场景的拓展。

**结论**

在全球向可再生能源和交通运输电气化转型的推动下，对可持续储能解决方案的迫切需求使生物基材料成为电化学技术领域的变革性力量。近期在生物质衍生碳材料、天然聚合物及复合材料方面取得的突破，大幅提升了储能性能，实现了高容量、高电导率和良好的离子传导性，同时保持了优异的循环稳定性。

**器件层面**

**作者贡献声明**

Prakash Gadipelli：撰写—审阅与编辑，撰写—初稿，监督，调查研究，概念构思。

**资金支持**

作者未为本研究接受任何资金支持。

**利益冲突声明**

作者确认：

• 除论文中已适当说明的部分外，未接受任何可能影响本研究结果的财务支持或资助。
• 不存在任何可能被视为利益冲突的隶属关系、会籍、咨询、股票持有、荣誉酬金、有偿专家证词、专利申请或其他财务利益。
• 不存在可能影响本文所呈现工作的个人、专业或机构关系。

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Prakash Gadipelli