摘要：全球气候和生物多样性危机促使能源存储向可再生、可持续转型，锂离子电池因其出色的能量密度、长寿命和高充放电效率，在能量储存中占据着重要地位。然而，展望未来，锂离子电池的发展面临着新的挑战，其在维系优异电化学性能的同时，亟需实现从化石基材料至可再生材料的转换，以此
全球气候和生物多样性危机促使能源存储向可再生、可持续转型，锂离子电池因其出色的能量密度、长寿命和高充放电效率，在能量储存中占据着重要地位。然而，展望未来，锂离子电池的发展面临着新的挑战，其在维系优异电化学性能的同时，亟需实现从化石基材料至可再生材料的转换，以此增进环境可持续性。值得庆幸的是，以天然来源的生物基聚合物制备电解质，为解决上述困境开辟了可行路径。生物基聚合物所含丰富的官能团能够高效解离锂盐，进而赋予电解质较高的离子电导率和较宽的电化学稳定窗口。但就目前研究而言，对于生物基聚合物电解质的环境影响的研究还不全面，缺乏统一且标准化的评估来衡量其环境可持续性。
为有效解决上述问题，武汉大学陈朝吉教授，西班牙巴斯克大学Erlantz Lizundia教授及其团队成员开展了一系列深入研究。筛选出具有代表性的生物基聚合物，制备成锂离子电池用生物基聚合物电解质。综合考量电解质的离子电导率和电化学稳定窗口，借助生命周期评估（LCA）手段，对其环境影响量化评估，全方位评定生物基聚合物物电解质的电化学性能和环境效益。相关研究成果以题为“Environmental Sustainability of Natural Biopolymer-Based Electrolytes for Lithium Ion Battery Applications”的论文发表在《Advanced materials》上。武汉大学2022级博士生黄京、2023级博士生王思俊为论文共同第一作者，武汉大学陈朝吉教授和西班牙巴斯克大学Erlantz Lizundia教授为论文共同通讯作者。
研究范围
如图1所示，这项研究工作聚焦于具有代表性的天然生物聚合物电解质，涵盖纤维素及其衍生物、甲壳素/壳聚糖、木质素、琼脂、蚕丝蛋白等。将其制备成膜-液态电解质、凝胶电解质以及固态电解质，测量其离子电导率和电化学稳定窗口，利用LCA对气候变化、酸化、淡水生态毒性、海洋富营养化、人体毒性和水资源利用方面的环境影响实施量化评估，构建了一套全面系统的研究框架。
图1.生物聚合物电解质从原材料到电解质设计与制备的环境影响
生物质到生物基聚合物的环境影响
作者深入探究生物基聚合物从生物质起始分离，从“摇篮”到“大门”全过程的气候变化，如图2所示，纤维素浆和木质素呈现出较低的碳足迹，展现出良好的环境友好性。与之相比，自上而下制备纳米纤维素的过程，由于能耗和化学品消耗量巨大，致使纳米纤维素碳足迹大幅度增加。其他生物基聚合物中，甲壳素/壳聚糖因需借助盐酸进行苛刻化学处理时期从虾壳中分离，故其碳足迹高于纤维素。综合考量其他影响类别，生物基聚合物在海洋富营养化与人体毒性方面影响相对轻微，而在酸化和淡水生态毒性影响显著，且耗水量较大。因而，在生物基聚合物的分离制备过程中，权衡环境影响十分关键。
图2.生物基聚合物的环境影响
生物基聚合物的材料关键性和循环性评估
材料循环性指标（MCI）和循环指数（CI）作为衡量材料在循环经济体系中循环利用程度和性能的一系列量化指标。如图3所示，传统化石基电池材料的MCI和CI数值偏低，根源在于其生产过程中原材料和能量消耗量大，且废弃物产量巨大。相较而言，生物基聚合物的MCI和CI处于中间水平或趋近于1，高于化石基合成材料，表明从生物质中分离获取生物基聚合物较传统化石基材料更具循环利用优势。若将生物基聚合物对电池使用寿命的改善作用纳入考量范畴，MCI值显著提升至趋近于1，表明若能充分发挥生物基聚合物优势有效延长电池循环寿命，有望达成高循环电池的构建目标。材料关键性着重强调材料供应风险，综合考量电池领域中材料供应的重要性。其中，纤维素浆、细菌纤维素、木质素等生物基聚合物关键性较低，而传统电池材料如锂盐和无机电解质具有较高关键性，表明后者面临较高的材料供应风险。
图3.生物基聚合物的材料关键性和循环性评估
生物基聚合物电解质的电化学性能
锂离子电池电解质开发高性能、环境友好型电解质材料主要基于生物基聚合物的膜-液态电解液、凝胶和固态电解质，生物基聚合物因具备丰富的官能团，可与锂盐形成强相互作用，有效促进离子解离，呈现出较高的离子电导率和较宽的电化学稳定窗口。该研究重复验证了其他文献中所报道的具有代表性的生物基聚合物电解质，从而获取了具备可比性的的电化学实验结果。
图4.生物基聚合物电解质的电化学性能
生物基聚合物电解质的环境影响
天然生物基聚合物电解质（膜-液态电解质，凝胶电解质和固态电解质）在气候变化、酸化、淡水生态毒性、海洋富营养化、人类毒性和水消耗等方面呈现出显著差异。由羟乙基纤维素、纳米纤维素、纤维素/木质素、锂化纤维素纳米晶制备的膜-液态电解质，相较于化石基膜-液态电解质，在环境影响方面展现出优越性，多数生物基聚合物电解质膜在淡水生态毒性和耗水量环境影响更低。凝胶电解质的环境影响总体高于PEO基凝胶电解质，归因于其制备流程涉及多步工序，能耗及化学品消耗量大，不过在材料关键性方面可与传统化石基凝胶电解质具有竞争力。多数生物基固态电解质碳足迹低于化石基固态电解质。在制备过程中，可以通过溶剂回收等措施有望降低环境影响。整体而言，生物基聚合物电解质在环境影响方面的表现力良好，且具有进一步优化提升的潜力。
图5. 生物基聚合物电解质的环境影响
总结：作者采用生命周期评估方法，结合多种指标，对锂离子电池中多种生物基聚合物电解质的环境可持续展开研究，量化其环境影响，发现不同生物基聚合物的碳足迹存在差异，其中水消耗是生物基聚合物可持续生产的主要瓶颈。虽然从生物质中分离制备生物基聚合物具备更高的循环性，然而NaOH在生产过程中的使用也不容忽视。生物基聚合物丰富的官能团使其电化学性能优于化石基电解质，但是在制备环节中，环境影响呈现出较大的差异，碳足迹差异大，其中锂盐和溶剂是主要影响因素。值得注意的是，生物基聚合物在材料关键性方面具有明显优势，该研究有望助力可持续电池的发展以及相关领域的进步提供有力支持与推动。
作者简介
陈朝吉，武汉大学资源与环境科学学院教授、博士生导师。2015年博士毕业于华中科技大学，2015-2021年分别于华中科技大学与马里兰大学帕克分校从事博士后研究，并于2021年5月入职武汉大学资环学院组建X-Biomass课题组。从事生物质材料（木材、竹材、纤维素、甲壳素等）的多尺度结构设计、功能化及高值利用方面的研究，致力于以天然材料解决可持续发展面临的材料-能源-环境挑战。以第一/通讯作者（含同等贡献）在Nature (2篇)、Science、Nature Reviews Materials、Nature Sustainability (2篇)、Nature Communications (6篇)等国内外著名学术期刊上发表SCI论文100余篇，总引用33,000余次，H因子98，44篇论文入选ESI高被引论文，13篇（曾）入选热点论文。获科睿唯安“全球高被引科学家”（2021-2024连续四年入选材料科学领域）、斯坦福大学“全球前2%高被引科学家”终身影响力榜单、麻省理工科技评论亚太区“35岁以下科技创新35人”、“ACS KINGFA Young Investigator Award”、“中国化学会纤维素专业委员会青年学者奖”、“中国新锐科技人物卓越影响奖”、阿里巴巴达摩院“青橙优秀入围奖”、“Advanced Science青年科学家创新奖”、“R&D 100 Awards”等荣誉。担任The Innovation Materials学术编辑，The Innovation、Research、SusMat、Environmental Science & Ecotechnology、Green Carbon、Molecules等杂志编委/青年编委，以及中国化学会纤维素专业委员会委员。
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来源：郭子聊科学