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研 究 背 景
微型储能器件，如微型电池和微型超级电容器，由于其在智能微电子领域的潜在应用，包括微型机器人、智能医疗植入物、智能电子皮肤、人体活动监测和无线传感器，受到了人们的广泛关注。其中，微型超级电容器虽然具有高功率密度、优异的倍率性能和长循环寿命等优势，但其面能量密度普遍较低，通常在100 μWh cm−2以下，甚至低于10 μWh cm−2，难以满足长期、稳定的能量供给。为了解决这些问题，研究人员提出具有更高能量密度和更稳定电压输出的微型电池，从而为微电子设备提供可靠的长期能源供应。考虑到低成本、高理论容量和在空气环境条件下易于操作等优点，环保和安全的水系锌基微型电池受到了人们的青睐。不幸的是，由于缺乏合理的设计如负载量不足、对新电池反应的探索不充分以及低的面积利用率，这些微器件的能量密度远远不能满足实际需求。
值得注意的是，目前无论是水系锌基微型电池还是有机系锂/钠离子微型电池，其最大面容量和能量密度仍分别低于5000 μAh cm−2和7500 μWh cm−2。这主要是因为其充放电过程仅依赖于单一电化学反应，限制了单位面积内的能量输出。若要实现更高的能量输出，往往需要通过串联或并联多个微型电池，但这会增加器件面积、降低空间利用率，并造成材料浪费。因此，如何在单个微型电池中实现多电化学反应的协同整合，成为突破性能瓶颈的关键。然而，这一策略的实现面临多重挑战：两种反应需在同一电解质中共存且互不干扰；电极材料需兼容且稳定；反应产物不应影响后续反应；理想情况下，第一反应的产物还应有助于提升第二反应的导电性或反应动力学。实现这一设计理念的关键在于如何在材料相容性和反应动力学之间取得平衡。
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研 究 内 容
本研究提出了一种原位导电性增强辅助的双电池反应策略构建高性能的锌||氧化铋@氧化银（Zn||Bi2O3@Ag2O）微型电池，可以将Bi2O3和Ag2O的两种转化反应集中到单个微器件中。与简单的Zn||Ag2O微型电池Zn||Bi2O3微型电池组合在一起不同，该策略利用第一步Ag2O转化反应的原位导电性增强效应显著提高第二步转化反应的反应动力学和放电容量。与单独Zn||Bi2O3微型电池相比，放电比容量几乎提高了一个数量级，使得总容量超过两个单独微型电池组合在一起的放电容量的2.1倍。这种创新的方法通过在单个微型器件内顺序耦合两个电池反应来挑战传统的微型电池结构，优化提升了微尺寸空间的利用率，进而改善面积容量和能量密度。因此，所构建的微型器件实现了18705.5 μWh cm−2的高面积能量密度。为了直观地展示出色的性能，本研究将单个Zn||Bi2O3@Ag2O微型电池用来给计时器进行供电，发现其可以连续工作3780分钟（超过2.5天），同时亮度没有任何损失。此外，两个串联连接的微型电池能够使200个红色、黄色、绿色、蓝色和白色发光二极管正常工作。此外Zn||Bi2O3@Ag2O微型电池也可以为可穿戴智能传感器供电，该传感器可以将运动数据无线传输到手机上，从而实现对各种状态的实时监控，包括行走、静止和跑步等。
相关成果以“Dual reaction strategy for in-situ conductivity enhancement to enable high-performing aqueous zinc-based micro-batteries”为题在Nature communications上发表研究性论文。郑州大学化工学院为第一单位，2025级博士研究生修心怡为论文第一作者，宋丽副研究员为论文共同第一作者，靳绪庭副研究员、曲良体教授和周震教授为共同通讯作者。
图1. 微电池的现状及微电极的制备。
图2. 原位导电性增强辅助双电池反应策略的容量提升机制。
图3. Zn||Bi2O3@Ag2O微电池的电化学性能。
图4. Zn||Bi2O3@Ag2O微电池正极在充放电过程中的SEM、TEM及XPS表征。
图5. Zn||Bi2O3@Ag2O微电池的反应机理示意图及在充放电过程中的原位XRD。
图6. Zn||Bi2O3@Ag2O微电池的串并联测试及在高能耗场景下的适用性。
图7. 基于Zn||Bi2O3@Ag2O微电池的无线智能集成应用。
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文 章 链 接
Xinyi Xiu, Li Song, Meng Li, Xiangyang Li, Zhonggui Quan, Xuting Jin, Liangti Qu, Zhen Zhou. Dual reaction strategy for in-situ conductivity enhancement to enable high-performing aqueous zinc-based micro-batteries.
https://doi.org/10.1038/s41467-026-69317-z
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作 者 简 介
修心怡（第一作者）：郑州大学2025级博士研究生。2022年于青岛科技大学获得化学工程与工艺学士学位，2025年于郑州大学获得材料与化工硕士学位，师从周震教授。2025年于郑州大学化工学院攻读博士学位，师从周震教授，靳绪庭副研究员，研究方向为锌离子电池及其微器件的设计与应用。目前以第一作者身份在Nat. Commun.发表学术论文一篇。
宋丽（共一作者）：现为郑州大学河南先进技术研究院直聘副研究员，博士毕业于天津大学材料学院，2019-2022年于北京理工大学从事博士后研究，合作导师曲良体教授。于2023年5月入职郑州大学先进技术研究院，主要从事高安全水系锌基电池/微型电池/微型超级电容器的研究。目前以一作或通讯在Nat. Commun.、 Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.、Adv. Funct. Mater. 等发表多篇SCI学术论文。
靳绪庭（通讯作者）：现为郑州大学化工学院直聘研究员/副研究员，博士毕业于北京理工大学化学与化工学院，师从曲良体教授。于2022年8月入职郑州大学化工学院周震教授团队，主要聚焦高安全、高性能水系锌基电池/微型储能器件与柔性可穿戴智能集成系统两大方向的交叉研究。先后主持国自然科学基金面上项目、国自然科学基金青年项目、河南省优秀青年基金项目等。目前以一作或通讯在Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater. (2篇)、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.等发表学术论文16篇。
曲良体（通讯作者）：现为清华大学化学系教授，教育部长江特聘教授，国家杰出青年基金获得者，“万人计划”科技创新领军人才，享受国务院政府特殊津贴专家。围绕碳纳米材料、石墨烯、碳纳米管、导电与功能高分子的可控制备、功能修饰与组装开展研究，探究其在先进功能材料、高效能量转化与储存等方面的应用。研究领域涉及纳米与材料化学、电化学、绿色能源、柔性电子与储能器件等，例子包括石墨烯超结构、智能响应高分子、海水淡化、空气发电、新型电化学电池/电容器、微型能源器件及柔性器件等。在Nature, Science, Nat. Nanotech., Nature Water, Sci. Adv., Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc, Adv. Mater.等国际重要期刊发表SCI论文200多篇，论文他引近3万次，单篇论文最高他引超3000余次。受邀请在Nature Reviews Materials, Accounts of Chemical Research, Chemical Reviews等撰写综述论文20余篇，英文专著6章，国际国内发明专利30余项。研究工作被Nature等专业刊物报道。主持科技部重点研发计划、国家基金委重点项目等多项。
周震（通讯作者）：长江学者、享受国务院政府特殊津贴专家。主持国家重点研发计划项目课题和国家自然科学基金重点项目等研究。通过高通量计算、实验与机器学习相结合揭示电化学储能新机制，设计系列锂/钠离子电池固态电解质和电极材料，构筑可充电Li-CO2电池储能新体系。在国内外期刊发表论文350余篇。论文被引用52000余次，h-index为129。2014-2025年连续12年入围“爱思唯尔”中国高被引学者榜。2018-2025年连续8年入选“科睿唯安”全球高被引科学家。2020年入选英国皇家化学会会士(FRSC)。现为Journal of Materials Chemistry A和Green Energy & Environment等期刊副主编、Journal of Power Sources编辑以及Batteries & Supercaps和《中国稀土学报》等期刊编委以及中国电子学会化学与物理电源技术分会第八届委员会委员、中国化学会理论化学专业委员会委员、中国自然资源学会资源循环利用专业委员会委员和河南省委决策咨询委员会委员。
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