北京航空航天大学Small：三重协同策略实现2.1V、封闭式的可充电锌-水燃料电池- 大数跨境

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北京航空航天大学Small：三重协同策略实现2.1V、封闭式的可充电锌-水燃料电池

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2026-03-27

导读：北京航空航天大学Small：三重协同策略实现2.1V、封闭式的可充电锌-水燃料电池

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文章信息

三重协同策略实现2.1V、封闭式的可充电锌-水燃料电池

第一作者：甘密

通讯作者：刘金章*

单位：北京航空航天大学

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研究背景

有机正极可以和锌负极结合来构建水系可充电电池。有机正极一般是基于就有氧化还原反应活性的芳香族有机分子，其氨基或羰基为储存电荷的活性位点。一个有趣的现象是许多有机正极在放电后可以借助空气氧化而实现自充电，由此可以构建自充电水系锌-有机电池。然而，该自充电功能在在迈向实际应用的道路上仍有诸多不足。一是依赖O2氧化，电池没法全密封，存在着电解液蒸发、操作复杂等问题；二是水系电池的电压较低；三是自充电-放电循环次数有限，归因于正极表面的复杂锌盐副产物（如碱式硫酸锌）的积聚，导致电池依靠重复自充电累积对方释放能量不足。针对上述热力学与动力学的双重局限，亟需开发全新的系统级策略，以实现在全密封条件下根除正极表面副产物、突破电压窗口并大幅提升电池的综合储能表现。

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文章简介

近日，来自北京航空航天大学的刘金章教授课题组在国际知名期刊Small上发表了题为“A Triple Strategy to Enhance Energy Storage and Power Generation Performances of a Rechargeable Zn-H2O Fuel Cell”的研究论文，第一作者为甘密 。该工作提出了一种“三重协同”策略：通过构筑双组分有机正极、引入Pt纳米催化剂以及采用电解液解耦设计，成功实现了具有2.1 V高电压且正极表面无副产物生成的全密封自充电锌电池。

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本文要点

要点一：有机组分间的协同作用与分子轨道调控

本工作构筑了一种由聚合物（poly(1,6-DHN)）与有机小分子（TMBQ）组成的双组分有机正极，并引入铂纳米颗粒作为催化剂。研究发现，通过这种双有机组分复合设计，可以有效调节活性分子的轨道能级，利用两种醌类分子间的“π-π叠加协同效应”，优化了氧化还原过程中的电子传输路径。结构表征进一步证实了Pt纳米颗粒与有机基底的成功复合及均匀分散。这种分子层面的优化不仅极大增强了活性位点的利用率，更为后续实现高效电荷存储以及在酸性环境下的自充电反应奠定了坚实的结构基础。

图1. a) 聚合物合成到正极制备的工艺流程示意图； b) poly(1,6-D)@TMBQ-Pt/AC正极表面高倍SEM图像； c) 纯AC正极与poly(1,6-D)@TMBQ-Pt/AC正极的XRD图谱； d) 纯AC、poly(1,6-D)/AC、poly(1,6-D)@TMBQ/AC及poly(1,6-D)@TMBQ-Pt/AC正极的XPS全谱； g) poly(1,6-D)@TMBQ-Pt/AC正极的低倍SEM图像及对应的Pt、C、O元素分布EDS图； e) AC、poly(1,6-D)@TMBQ/AC及poly(1,6-D)@TMBQ-Pt/AC正极的FTIR图； f) AC与poly(1,6-D)@TMBQ-Pt/AC正极的高分辨C 1s XPS图谱。

要点二：催化剂提升正极材料在锌离子电池中的自充性能

在传统的ZnSO4电解液体系中，循环伏安（CV）测试表明，Pt纳米颗粒能够有效调制氧化还原反应动力学，从而显著提升有机正极的实际容量。实验结果显示，新构筑的poly(1,6-D)@TMBQ-Pt/AC正极在传统的空气自充电模式下表现出优异的性能：仅需1小时的空气暴露，电池电压即可迅速回升至1.2 V，且容量保持率高达83.7%。然而，深入研究也揭示了传统中性电解液体系不可忽视的痛点：在空气自充电过程中，正极表面会不可避免地生成致密的锌盐副产物层。这种钝化层不仅增加了界面阻抗，阻碍了离子的快速传输，更从根本上限制了自充电效率与循环稳定性的进一步提升。这一发现也为后续引入电解液解耦策略提供了关键的实验依据。

图2. a) 在1 mV s⁻¹扫速下，含与不含Pt的poly(1,6-DHN)@TMBQ混合正极扣式电池的CV曲线对比； b)在2 mA cm⁻²电流密度下采用烧杯电池，poly(1,6-D)@TMBQ-Pt/AC正极在不同空气充电时长后的恒流充放电（GCD）曲线及放电曲线； c) 空气自充电正极的开路电压（OCV）及容量恢复率随空气暴露时长的变化曲线； d, e) 正极分别在ZnSO4电解液中及空气中自充电后的SEM图像； f) 对应图(d)和(e)中两类样品的XRD图谱。

要点三：解耦电解液设计：高电压输出与“零副产物”界面

为突破电压瓶颈，创新性的引入了电解液解耦策略，通过构筑酸性正极/碱性负极的三隔室电池体系，实现了性能的跨越式提升。首先，该策略从根本上改观了正极的运行环境，基于有机正极水系锌离子电池的离子嵌入机制，氢离子在储能过程中起主导作用，设计酸性环境能抑制锌盐副产物的形成，实验证实循环后的正极表面依然保持洁净，这种“界面净化”效应彻底解决了困扰该类电池已久的界面钝化难题。而从电化学热力学角度出发，两端巨大的pH差异提供了额外的电势补偿。该设计将自充电后的放电平台从传统的~1.0 V直接提升至1.7V左右，开路电压达到2.1 V，极大地增强了电池的功率输出能力。

图3. a) 1 mV s⁻¹扫速下的CV曲线； b) 电池在Power-charged与Self-charged后的放电曲线对比； c) 电池电压随自充电时间的变化曲线； d) 电池在不同自充电时长后的放电曲线； e) 自充电容量及电压随自充电时间的变化规律； f) 在H2SO4的三电极体系中，正极随温度变化的EIS图； g) 高电压电池自充电功能的循环稳定性测试； h) 利用图(f)中的数据进行线性拟合，推导反应活化能。

要点四：溶液自充电机理探究

通过深入研究发现，在Pt催化剂和酸性环境的共同作用下，电池表现出独特的质子（H+）化学主导的电荷存储机制。通过油封实验证实，该体系在隔绝O2的条件下，依然能在溶液中通过脱出氢离子而实现快速自充电，这一发现打破了传统锌有机电池对开放空气环境的依赖。这一全密封自充电特性结合2.1 V的高开路电压，使其能成功驱动电风扇及灯塔模型，展现了卓越的实用前景。

图4. a) Tri(1,6-DHN)与TMBQ分子的LUMO和HOMO能级及其分子轨道示意图； b) Tri(1,6-DHN)和TMBQ分子在Pt表面上的吸附及对应的吸附能； c) 计算得到的两种分子在Pt表面上的LUMO和HOMO能级； d) 在有无Pt纳米颗粒吸附的情况下，TMBQ和Tri(1,6-DHN)分子中-OH基团氧化的吉布斯自由能变化对比； e) 使用poly(1,6-D)@TMBQ-Pt/AC正极和ZnSO4电解液的全密封扣式电池自充电循环性能，排除了空气中O2氧化自充电的机制； f) 质子化学主导的自充电过程示意图。

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文章链接

A Triple Strategy to Enhance Energy Storage and Power Generation Performances of a Rechargeable Zn-H2O Fuel Cell

https://doi.org/10.1002/smll.73208

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通讯作者简介

刘金章副教授，北京航空航天大学材料科学与工程学院博士生导师。2015年从澳大利亚回国加入北航。从事水系电池、有机电极材料、介电复合材料、纳米技术等方向研究，以第一作者或通讯作者在Adv. Energy Mater., ACS Energy Lett., Chem. Eng. J., Small 等期刊发表论文80余篇。主持国家自然科学基金面上项目2项科委基础加强项目1项，授权国家发明专利6项。