清华深研院周光敏/广西大学王勃然/深圳大学钟熊伟,今日新发Nature子刊!通过转废为能以实现发电与放大的开放式解耦电池设计研究!

传统封闭式电池受限于100%的电能效率，必然导致电能存储的减少。相比之下，开放式解耦电池（ODB）提供了突破这一限制的可能性，但尚未被深入探索。

2026年01月24日，清华大学深圳国际研究生院周光敏团队在Nature Communications期刊发表题为“An open decoupled cell design achieving electricity generation and amplification through waste-to-energy conversion”的研究论文，团队成员Zheng Zhiyang、Zheng Feng-Yi、Huang Bosi为论文共同第一作者，周光敏、清华深研院/广西大学王勃然、清华深研院/深圳大学钟熊伟为论文共同通讯作者。

第一作者：Zheng Zhiyang、Zheng Feng-Yi、Huang Bosi

通讯作者：周光敏、王勃然、钟熊伟

通讯单位：清华大学深圳国际研究生院、广西大学、深圳大学

论文DOI：10.1038/s41467-026-68550-w

该研究开发了一种高效、可持续的开放式解耦电池，通过三电动力学势（3E）设计，同时实现了废料至能量转换、发电与能量存储。对于解耦电极，该研究设计了包含锌氧化与氧还原反应的高放电电压（E_D），以及包含锌离子还原与肼（废料）氧化反应的低充电电压（E_C）。此外，该研究通过解耦电解质引入了反向电渗析势（E_RED）。因此，组装的电池在300 mA cm⁻²的快充电流密度下展示了1000次循环的稳定性。此外，放大至20 Ah容量的电池在10 mA cm⁻²下实现了高达375%的电能效率。技术经济分析表明，与常规电池相比，使用开放式解耦电池存储一兆瓦时的电能可将发电成本和碳排放降低80%以上。该研究为设计具有经济和环境效益的电能放大电池奠定了基础。

能源存储系统（ESSs）在开发智能/微电网以及间歇性可再生能源的普遍应用中至关重要。为了减少存储过程中的能量损失（例如活化损失和传质损失），研究人员提出了多种策略，包括电极材料设计、电解质改性以及电池结构探索，以提高ESSs的电能效率（η_EEE）。由于传统ESSs作为封闭系统运行，允许与外部环境进行能量交换但阻止物质交换，其η_EEE的上限为100%（图1a）。相比之下，开放式解耦电池（ODBs）允许在运行过程中输入免费或低成本的外部物质，有可能实现η_EEE大于100%（图1b）。η_EEE>100%的电池可以输出比输入更多的功率，从而实现发电和放大，有望优化能源结构并实现更经济和环保的能源供应。然而，设计η_EEE>100%的ODBs尚未得到探索。

将废料转化为能量可以节约大量资源，降低废物处理成本，并有助于可持续经济发展。通常，废水含有丰富的低电位还原物质（例如肼、甲醇、葡萄糖等），使其适合作为ODBs的充电正极（CPE）以实现低充电电压（E_C）。对于氧化还原电极，锌金属由于其高理论容量（820 mAh g⁻¹或5854 mAh cm⁻³）、-1.25 V（vs SHE）的低工作电位、丰富储量以及环境友好性，是一种有前景的候选材料。此外，放电正极（DPE）应具备高电位以实现高放电电压（E_D），其活性材料需要易于获取且经济。尽管酸性条件下的DPE通常比碱性条件下具有更高的电位，但酸碱交叉通常会导致电池不稳定和复杂性。因此，该研究主要关注碱性环境中的氧化还原对。解耦电极后，可以通过解耦电解质引入反向电渗析势（E_RED），进一步增加总放电电压（U_discharge = E_D + E_RED）或降低总充电电压（U_charge = E_C– E_RED）以最大化η_EEE。

在此，该研究基于三电动力学势（3E: E_D、E_C和E_RED）设计，开发了一种在1 mA cm⁻²下实现高达445% η_EEE的ODB。该电池分别利用肼氧化反应（HzOR）电极作为充电正极和氧还原反应（ORR）电极作为放电正极。通过使用两种不同浓度的电解质分别用于锌电极和放电正极，并采用阳离子交换膜（CEM）将其分离，以产生E_RED并进一步增加U_discharge（U_discharge = E_Zn-ORR + E_RED）。该研究还揭示了肼分子（N₂H₄）的亲核位点特异性吸附在锌表面，进而改变其周围的局部电荷分布以抑制腐蚀，从而提高了锌的利用率和总容量。因此，组装的ODB表现出长期耐久性，在100 mA cm⁻²的快充电流密度下可稳定工作超过1000小时，且锌利用率高达56.7%（通常<10%）；并在300 mA cm⁻²的快充电流密度下实现了1000次循环。此外，该研究还展示了一个容量为20 Ah的大规模ODB。技术经济分析表明，得益于ODB的电能放大效应，在ODB中存储一兆瓦时（1MWh）电能所需的输入电力的成本和碳排放，均低于传统封闭电池的20%。值得注意的是，使用ODB进行废料能量转换还可将降解肼污染物所需的氧化剂费用降低80%以上。

图1 | 实现η_EEE>100%的ODBs设计框架。a，传统封闭电池与外部环境的物质和能量交换，以及相应的电池反应。b，ODBs与外部环境的物质和能量交换，以及相应的电池反应。为了实现η_EEE>100%的ODBs，该研究首先将电极解耦为三部分，包括氧化还原电极、CPE和DPE，并选择适当的氧化还原对作为电极，以实现低E_C、高E_D从而获得高η_EEE。所有电位均相对于碱性环境中的SHE。在确定电极（用于放电反应的Zn-ORR和用于充电反应的Zn-HzOR）后，该研究通过在不同浓度电解质之间引入E_RED来进一步提高η_EEE。此外，该研究发现肼的亲核位点特异性吸附在Zn表面以减少其腐蚀，从而增强可用Zn容量。总体而言，该研究的“3E”设计（E_D、E_C和E_RED）使ODBs的η_EEE超过300%。W_in和W_out分别指输入电能和输出电能。

图2 | ODB各组分的确定。a，碱性条件下ORR的普贝图。插图：在1 mA cm⁻²电流密度下，不同pH值（pH=12、13和14）的Zn-ORR放电电压曲线。b，在100 mL氧饱和的1 M KOH中，于300 s时添加1 mL N₂H₄，商业Pt/C在0.74 V（vs RHE）下的计时电流响应曲线。c，在含有不同KOH浓度的0.5 M N₂H₄电解质中，以5 mV s⁻¹扫描速率测得的HzOR线性扫描伏安曲线。d，在20 mA cm⁻²电流密度下，使用1 M和6 M KOH的Zn-ORR长时放电曲线。插图说明Zn电极在1 M KOH电解质中由于易于钝化而损失大量容量。e，在6 M KOH+饱和ZnO+0.5 M N₂H₄电解质中，不同电流密度（1至500 mA cm⁻²）下Zn-HzOR的U_charge。数值为平均值，误差棒是通过对一个样本进行10次测量的标准误差计算的。f，使用CEM和AEM的解耦Zn-ORR示意图及在10 mA cm⁻²电流密度下的放电曲线，其中ORR电极使用1 M KOH电解质，Zn电极使用6 M KOH+饱和ZnO+0.5 M N₂H₄电解质。g，在1至50 mA cm⁻²不同电流密度下，Zn-CEM-ORR在ORR电极使用1 M KOH电解质和Zn电极使用6 M KOH+饱和ZnO+0.5 M N₂H₄电解质下的U_discharge。所有上述电化学测试均在25±5°C下进行。

图3 | 还原肼抑制Zn腐蚀的机制。a，使用6 M KOH+饱和ZnO和6 M KOH+饱和ZnO+0.5 M N₂H₄电解质的Zn-CEM-ORR在20 mA cm⁻²电流密度下的比容量。数值为平均值，误差棒是通过对三个样本进行测量的标准误差计算的。b，腐蚀过程示意图，包括水分解、HER和Zn溶解。c，典型的塔菲尔图，展示了Zn电极在6 M KOH+饱和ZnO和6 M KOH+饱和ZnO+0.5 M N₂H₄电解质中的腐蚀，以及计算得出的含N₂H₄电解质的腐蚀抑制效率。所有上述电化学测试均在25±5°C下进行。d，在有和无N₂H₄吸附情况下，Zn 3d轨道和水O 2p轨道的投影态密度。插图：N₂H₄分子在Zn表面差分电荷密度。e，在有和无N₂H₄吸附情况下，O和Zn的Milliken电荷计算。f，在有和无N₂H₄吸附情况下，Zn表面HER过程的自由能图。插图为相应的优化结构模型。g，在H₂O和N₂H₄吸附下，Zn原子的脱附能。h，在不同电流密度下测量的6 M KOH+饱和ZnO和6 M KOH+饱和ZnO+0.5 M N₂H₄电解质中界面水的原位拉曼光谱。插图为不同电解质中界面分子（H₂O和N₂H₄）排列示意图。

图4 | ODB的电化学性能及放大演示。a，该研究体系中η_EEE高于100%以及传统电池η_EEE低于100%的示意图。b，ODB在放电电流密度为10 mA cm⁻²、充电电流密度为100 mA cm⁻²、相同容量为100 mAh cm⁻²下的快充循环性能。c，ODB在放电电流密度为20 mA cm⁻²、充电电流密度为300 mA cm⁻²、相同容量为10 mAh cm⁻²下的快充循环性能。d，ODB在0°C下不同电流密度下的倍率性能。e，该研究开放式系统与典型封闭系统中液流电池性能的比较。f，具有η_EEE>100%的大型ODB系统的实物照片，这意味着除了充电过程的废水处理外，系统还有多余电力用于工厂的固定电气设备（如灯具和充电站）。g，20 Ah ODB在10 mA cm⁻²电流密度下的恒电流电压曲线。所有上述电化学测试均在25±5°C下进行。

图5 | ODB系统的经济与环境分析。a，全ODB系统、间歇性可再生能源和连续化石能源的发电与输运示意图（蓝色背景）。以及间歇性可再生能源或连续化石能源与ODB结合后的电力放大示意图，以及间歇性可再生能源与常规ESSs结合后的电力损失示意图（绿色背景）。b，结合不同发电技术和ESSs产生1 MWh电能的技术经济分析。c，不同方法处理肼废水的费用。d，结合不同发电技术和ESSs产生1 MWh电能所产生的CO₂排放。

总之，该研究基于“3E”设计提出碱性ODB，其结合了三种电极，包括Zn氧化还原电极、作为DPE的ORR和作为CPE的HzOR，特别设计了E_D和E_C。此外，使用CEM在ORR和HzOR电解质之间设计了E_RED。该研究通过实验和计算揭示了基于“腐蚀三部曲”的N₂H₄分子腐蚀抑制机制，从而提升了Zn的放电深度和电池容量。因此，组装的ODB在300 mA cm⁻²的快充电流密度下展现了1000次循环的耐久性。为了说明“3E”设计的普适性，该研究还组装了一个使用0.5 M硫酸（H₂SO₄）作为ORR电解质的酸性ODB，以实现更高η_EEE，因为ORR在酸性环境中表现出更正的电势。正如补充图12所示，酸性ODB在1 mA cm⁻²下显示出2.19 V的高U_discharge和665%的η_EEE。此外，即使在0°C下，酸性ODB在20 mA cm⁻²下仍保持417%的η_EEE。最终，该研究完成了一个容量为20 Ah的放大ODB。技术经济分析表明，ODB兼具发电和电力放大的功能，在经济和环境方面均展示了显著的应用潜力。该研究代表了ESSs从电能减少到电能放大的革命性转变。