中国科学技术大学王成威团队Advanced Materials: 氢辅助可充电池：重构反应路径实现秒级快充的颠覆性技术

可再生能源的快速发展对兼具高能量密度、优异倍率性能和本质安全的新型储能技术提出了迫切需求。尽管锂离子电池（LIBs）在推动电动汽车普及方面功不可没，但其能量密度（约350 Wh kg⁻¹）受限、有机电解液易燃易爆且成本高昂（锂金属：$ 31-426 kg^-1），难以满足持续增长的储能需求。金属空气电池，尤其是锌空气电池（ZAB），凭借其极高的理论能量密度（1086 Wh kg⁻¹）、安全的水系电解液以及锌金属的低成本优势（约$1.85-4.4 kg⁻¹），被视为理想的候选技术。然而，其阴极缓慢的氧还原反应（ORR）和析氧反应（OER）动力学导致高过电位（>0.5 V）和低能效（<60%），尤其是在高倍率下性能急剧衰减。传统的优化策略聚焦于开发ORR/OER双功能催化剂或改进电解质及电极结构，但收效有限，难以突破商业化应用的瓶颈。

针对这一挑战，中国科学技术大学王成威团队在Advanced Materials期刊上发表了题为“A Hydrogen-Aided Rechargeable Battery”的研究论文，提出了一种颠覆性的解决方案：氢辅助电池（Hydrogen-Aided Battery, HAB）。该研究摒弃了传统优化OER的思路，创新性地将氢气引入充电过程，利用氢氧化反应（HOR）替代缓慢的OER，从根本上重构了阴极的反应路径。

HAB保留了ZAB的基本架构（锌阳极、气体扩散电极阴极、碱性电解质），但在充电时向阴极通入氢气，发生氢氧化反应（HOR: H₂ + 2OH⁻ → 2H₂O + 2e⁻），放电过程则维持原有的氧还原反应（ORR: O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻）。这一变革带来了三大核心重构：反应路径重构，用HOR替代OER使反应过电位显著降低1.23 V；能量转换重构，锌作为“能量媒介”同步储存电能与氢化学能，总反应为 ；安全架构重构，氢气与氧气分时通入阴极，彻底规避了混合爆炸风险，提升了系统安全性。

通过定制化的堆叠式电池测试，HAB展现出了前所未有的性能突破。在超快充电方面，HAB实现了9秒内完成1 mAh cm⁻²的充电容量，远超市面上现有技术。在400 mA cm⁻²的高电流密度下，其充电电压稳定在1.6 V，而同等条件下传统ZAB的充电电压高达3.3 V，过电位降低效果显著。在倍率性能方面，HAB在1-400 mA cm⁻²的宽电流范围内表现出色，充电电压仅介于0.43-1.5 V之间，显著低于文献报道的ZAB数据（1.6-2.4 V），并在低温环境（-30°C）下稳定运行。在循环寿命方面，HAB在高倍率充电（400 mA cm⁻²）和放电（10 mA cm⁻²）的严苛条件下，稳定循环超过200次，而传统ZAB在30次循环后即告失效，循环稳定性提升显著。

该研究深入解析了HAB实现卓越性能的内在机制。在阳极锌沉积方面，高电流密度（400 mA cm⁻²）促进了锌沿(002)晶面的平行沉积（XRD显示I002/I101=1.908），SEM观测到致密的层状结构，有效消除了低电流下常见的孔隙缺陷。添加30 mM缬氨酸有效抑制了析氢副反应，使循环寿命提升了3倍。在阴极稳定性方面，研究发现传统ZAB中Pt/C催化剂在OER过程中易被氧化形成PtO/PtO₂（XPS检测证实），导致性能快速衰减；而HAB中的HOR反应则维持了Pt的还原态，阴极稳定性因此提升了8倍。在质量传递方面，电化学阻抗谱（EIS）证实HAB的质量转移阻力（Rmt）显著低于ZAB，这得益于氢气在电解液中的扩散速率远高于氧气。

HAB技术已成功实现安培级放大（电极面积达8.5 cm x 8.5 cm），单次循环放电容量高达1.4 Ah，展现出独特的应用前景。在电动汽车领域，HAB无需携带高压氢气储罐或使用易燃有机电解液，其安全性显著优于燃料电池和传统锂电池。它支持创新的“氢-电同步补给”模式，即可以利用电网电力充电，也可在加氢站快速补充氢气，有效解决电动汽车的续航焦虑和充电时长痛点。在电网储能领域，HAB兼容风电、光伏等间歇性可再生能源，可将富余电力转化为锌金属储存；通过电解水制氢环节，还能实现真正意义上的零碳循环。

致谢：中国科学技术大学物理科学实验中心提供表征支持

王成威，国家海外高层次青年人才，中国科学技术大学特任教授，博士生导师。主要从事全固态电池关键材料和器件的研发，在高储能密度全固态锂金属电池关键材料的设计与制备、界面演化物理机制等方面取得了创新成果。迄今为止，已在Science, Chemical Reviews, Nature Communications, Advanced Materials, JACS 等国际顶级期刊发表SCI论文50余篇，被引6000余次，h指数36。