北理工陈南团队，Advanced Energy Materials：长循环寿命的可充电湿气电池

第一作者：史梦璠

通讯作者：陈南*

单位：北京理工大学，北京理工大学长三角研究院

当下，自然能源的迅速枯竭和对能源的高需求迫切地促使我们开发一种新型的绿色能源。随着科学技术的进步，热电、压电和光伏太阳能等清洁技术日益成熟，但仍然面临着受环境限制大、容量不稳定等问题。水作为地球上最丰富的能源载体，亟待开发利用。我们团队在2015年首次提出了湿气产电器件（MEG）。目前，已经在研产电材料方面取得了重大进展，从最初的碳基纳米材料如碳纳米颗粒、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯逐步拓展到到聚合物、金属氧化物、生物纳米材料等等，并且MEG的产电寿命也大大延长，从几个小时增加到数百小时。

MEG依赖于较大的相对湿度（RH）和可移动的带电离子来获得更高的输出功率，这也就需要我们设计结构更加复杂的产电材料（ME）。然而，在这些结构复杂的材料中，用于解离出可移动离子的官能团在长期运行过程中容易受到外部环境的破坏。长期运行后，可移动离子的消耗和材料结构的破坏导致了MEG性能的下降。因此，在MEG的长寿命和高性能之间存在着天然的冲突。

近日，北京理工大学陈南团队在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表题为“Long Cycle Life Rechargeable Moisture-Enabled Electricity Cell”的观点文章，该工作提出了一种具有长循环寿命的高性能可充电湿气电池（rMEC）。该电池由聚（苯乙烯磺酸）/Fe³⁺（PSSA/Fe³⁺）、聚（二烯丙基二甲基氯化铵）（PDDA）双功能层和活性金属电极构成。与传统的MEG相比，单个rMEC可提供1.08 V输出电压，功率密度可达5.83 μW·cm⁻²。rMEC的高性能不仅归因于双功能层形成的不对称离子浓度梯度，还得益于活性金属电极Fe和PSSA/Fe³⁺层之间的氧化还原反应。

然而，随着rMEC中Fe³⁺的消耗会发生产电性能下降，这时我们将rMEC放置于过氧化氢湿气中，将Fe²⁺重新氧化为原来的Fe³⁺，rMEC的电压和电流密度可以快速恢复到初始水平。此外，rMEC可以保持稳定运行超过2000小时，完成100个充电/工作循环。环保型 rMEC 的超长循环寿命大大克服了湿电材料不可再生的缺点，成为推动 MEG 技术迭代升级的典型范例。

可自由移动的离子是湿气产电的基础。当双功能层聚合物膜吸收湿气中水分时，官能团发生解离，在PSSA/Fe³⁺层解离出Fe³⁺,在PDDA层解离出Cl-，带有相反电荷的两种离子在膜的双侧形成不对称浓度梯度，离子在浓度梯度的驱使下向相反的方向运动从而产生电压和电流。与单功能层聚合物膜相比，rMEC具有更多的带电离子，产电性能也越高。

Fe电极可以与PSSA/Fe³⁺层中Fe³⁺发生氧化还原反应，且电流方向与浓度梯度下离子自由移动的方向一致，起到了加成作用，共同提高了电力输出。

可充电性能是本工作的最大亮点。随着PSSA/Fe³⁺层中Fe³⁺的消耗殆尽和离子浓度梯度的消失，与常规MEG一样，rMEC产电性能会发生一定程度的下降。此时，将rMEC放置于含有H₂O₂的湿气（充电湿气）中，就可以重构离子浓度梯度，使得产电性能可回升至初始水平。

rMEC具有良好的稳定性，可持续进行100次充放电循环，产电时间超过2000小时，是MEG领域的最长纪录。

陈南，北京理工大学化学与化工学院副教授，博士生导师。主要从事以无机化学为基础的交叉科学研究，具体涉及包括共轭碳基复合/杂化材料（结构）的设计制备及其在新能源等相关领域的应用。迄今以第一/通讯作者在Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Matter、Adv. Func. Mater.、ACS Nano、ACS Energy Lett.等国际权威SCI学术刊物上发表论文40余篇，全部论文70余篇，研究成果受到了国内外学者的广泛关注，全部论文他引2000余次，并被Chem. Soc. Rev.、Adv. Mater.、Nano Today等国际顶级期刊报道评述。

授权中国、日本、美国发明专利7项，编写中英文学术著作各一本。主持国家自然科学基金面上项目、青年项目，北京市自然科学基金面上项目，河北省自然科学基金面上项目。同时以项目骨干身份参与了重点研发计划（原973计划），北京市科委石墨烯科技创新专项、总装“十二五”、“十三五”预研重点计划等国家级、省部级科研项目。

低维纳米结构及其物理化学研究属于前沿交叉领域，具有极其重要的科学意义和应用前景。低维纳米结构既具有纳米材料与结构所赋予的量子效应、尺寸效应与表面效应等新奇物性，又可通过高维几何结构的设计获得更优异的光、电、力、磁等宏观器件不具有的物性和功能。近年来，本团队在上述领域发展了多种低维微/纳米结构的加工技术，优化界面与表面效应使低维纳米结构展现出许多独特优势。

二、碳族二维材料的结构、制备及其功能化

碳族二维材料由于其独特的材料结构和电子运输特性得到了科学界的广泛关注。其中构建范德华异质结构，即把一些不同性质的二维材料堆叠形成新的人工结构，所形成的以石墨烯、石墨炔、硅烯、锗烯等IV族元素二维材料为代表的新型复合/杂化材料在光、电、热、声等能量转换领域展现出独特的优势。近年来，本团队在上述领域开展了若干新型碳族二维复合/杂化材料的制备，并着重关注碳族二维材料的微观形貌调控与其性能演变之间的规律。

课题组每年招收1~2名硕士、博士，常年招收博士后。欢迎对科学领域有探索性、创新性思维的同学加入。