375%！清华大学深研院周光敏/王勃然/钟熊伟Nature子刊 | 废能转化发电放大的开放解耦电池！

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传统封闭电池受限于100%的电能效率，必然导致储电量递减；开放解耦电池则有望突破该上限，却尚未被探索。。

2026年1月24日，清华大学深圳国际研究生院钟熊伟，王勃然，周光敏在国际知名期刊Nature Communications发表题为《An open decoupled cell design achieving electricity generation and amplification through waste-to-energy conversion》的研究论文，Zhiyang Zheng，Feng-Yi Zheng，Bosi Huang为论文共同第一作者，钟熊伟，王勃然，周光敏为论文共同通讯作者。

本研究通过三电动势（3E）设计，构建高效可持续的开放解耦电池，同步实现废物能源化、发电与储能：解耦电极以锌氧化与氧还原反应获得高放电电压（E_D），以锌离子还原与肼（废物）氧化反应实现低充电电压（E_C），并通过解耦电解液引入反向电渗电位（E_RED）。所得电池在300mA cm^-2快充电流下稳定循环1000次；20Ah放大版本在10mA cm^-2下电能效率高达375%。技术经济分析显示，储存1MWh电量时，其发电成本与碳排放较传统电池降低逾80%。本工作为兼具经济与环境效益的“电力放大”电池奠定设计基础。

能源存储系统（ESS）对智能/微电网的发展以及间歇性可再生能源的普遍应用至关重要。为降低存储过程中的能量损失（例如活化损失与传质损失），研究人员提出了多种策略，包括电极材料设计、电解液修饰以及电池结构探索，以提高ESS的电能效率（η_EEE）。由于传统ESS以封闭系统方式运行，仅允许能量与外界交换而阻止物质交换，其η_EEE上限为100%。相比之下，开放解耦电池（ODB）可在运行期间输入免费或低成本的外部物质，有望实现η_EEE大于100%。η_EEE超过100%的电池可输出多于输入的电能，从而实现电力生成与放大，有望优化能源结构并实现更经济、更环保的能量供应。然而，设计η_EEE>100%的ODB尚未被探索。

将废物转化为能源可节约大量资源、降低废物处理成本并促进可持续经济。通常，废水中含有丰富的低电位还原性物质（如肼、甲醇、葡萄糖等），适合用作ODB的充电正极（CPE）以实现低充电电压（E_C）。对于氧化还原电极，锌（Zn）金属是理想候选，其理论容量高（820mAh g^-1或5854mAh cm^-3），工作电位低（−1.25V，相对于标准氢电极），储量丰富且环境友好。此外，放电正极（DPE）需具备高电位以获得高放电电压（E_D），其活性材料应易于获取且经济。虽然酸性条件下的DPE电位通常高于碱性条件，但酸碱交叉常导致电池不稳定且结构复杂。因此，本研究主要关注碱性环境下的氧化还原电对。电极解耦后，可通过解耦电解液引入反向电渗电位（E_RED），进一步提高总放电电压（U_discharge=E_D+E_RED）或降低总充电电压（U_charge=E_C−E_RED），从而最大化η_EEE。

本研究基于三电动势（3E：E_D、E_C与E_RED）设计，开发了一种ODB，在1mA cm^-2下实现高达445%的η_EEE。该电池以肼氧化反应（HzOR）电极为CPE，以氧还原反应（ORR）电极为DPE。两种不同浓度的电解液分别用于Zn电极与DPE，以产生ERED并进一步提高U_discharge（U_discharge=E_Zn-ORR+E_RED），并通过阳离子交换膜（CEM）隔开。研究还发现，肼（N₂H₄）的亲核位点会特性吸附在Zn表面，改变其局部电荷分布，从而抑制腐蚀，提高Zn利用率与总容量。

因此，组装的ODB表现出长寿命，可在100mA cm^-2快充电流密度下稳定运行超过1000小时，Zn利用率达56.7%（通常<10%），并在300mA cm^-2快充电流密度下循环1000次。此外，研究还展示了20Ah大容量ODB。技术经济分析表明，利用ODB存储1MWh电力，其发电成本与碳排放较传统电池降低逾80%。值得注意的是，使用ODB进行废物能源转化还可减少逾80%的氧化剂费用以降解肼污染物。

图1：传统封闭与开放解耦电池能量路径对比。封闭系统η_EEE≤100%，开放解耦电池借助外部低值物质（如含肼废水）实现η_EEE>100%，并给出三电动势设计思路，奠定“电力放大”基础。

图2：电极-电解液组合筛选与电压验证。Pourbaix图指导ORR选1M KOH；LSV证实高OH^-降低HzOR电位；6M KOH+sat.ZnO+0.5M N₂H₄使Zn容量提升4倍；CEM引入E_RED，U_discharge达1.49V，η_EEE最高445%。

图3：肼吸附抑制Zn腐蚀机制。Tafel显示腐蚀电流降77.5%；DFT揭示N₂H₄亲核位点吸附增负电荷，提高水离解、HER与Zn溶出能垒；原位Raman证实界面水有序结构被瓦解，CLSM显示表面更平滑，容量与DoD显著提升。

图4：电池循环与倍率性能。100mA cm^-2快充/10mA cm^-2放循环1000次（1000h）η_EEE保持261%；300mA cm^-2快充仍稳1000圈；0°C下η_EEE>100%；20Ah级大模组单圈续航18天，验证放大可行性。

图5：技术经济与环境效益。全ODB系统集发电-储能-废水处理于一体，储1 MWh电力所需输入电量及成本较锂电等降70–75%，碳排仅12.7kg CO₂ eq MWh^-1；肼处理费由36.4USD m^-3降至5.3USD m^-3，实现盈利与减排双赢。

综上，本研究提出基于“三电动势”设计的开放解耦锌-空气电池，在利用含肼废水实现能量回收的同时将电能效率推高至445%，并揭示肼吸附抑制锌腐蚀的机制；示范级20Ah器件稳定循环1000次，技术经济分析显示其储电成本与碳排放均较传统电池削减逾八成，为兼具环境治理、电力放大与低成本储能的一体化系统开辟可扩展、可盈利、低碳的广泛应用前景。

An open decoupled cell design achieving electricity generation and amplification through waste-to-energy conversion. Nat. Commun., 2026. https://doi.org/10.1038/s41467-026-68550-w

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