第一作者：向文艺、刘效业、冯冰姿

通讯作者：王成威教授

通讯单位：中国科学技术大学

论文DOI：10.1002/adma.202504483

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传统锌空气电池受限于阴极缓慢的氧析出反应（OER），导致高过电位（>0.5 V）和低能效（<60%）。本研究提出氢辅助电池（HAB） 新范式：充电时向阴极通入氢气，以氢氧化反应（HOR）替代OER，重构阴极反应路径。HAB在保留锌空气电池高能量密度（1086 Wh kg-1）和安全水系电解液优势的同时，实现 9秒内完成1 mAh cm-2充电、400 mA cm-2高倍率稳定运行及200次以上循环寿命，为电动汽车快充和电网储能提供全新解决方案。

【文章解读】

一、研究背景：金属空气电池的瓶颈与破局思路

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。

二、创新设计：氢耦合充电机制

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。


图1. HAB的工作机制。 a) HAB与ZAB在充放电循环中的示意图（以ZnO为放电产物示例反应方程式）。b) 锌在水中的电位-pH图（Pourbaix图），采用碱性电解液（6 M KOH, 0.2 M Zn(CH3COO)2·2H2O及饱和ZnO）以最大化理论能量密度。c) HAB能量转换机制示意图。

三、性能突破：超快充电与长循环寿命

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。

图2. HAB充电性能提升。 a) HAB与ZAB测试装置示意图。b) Pt/C负载GDE全电池在氧气和氢气中的开路电压（OCV）曲线（GDE上Pt/C负载量：1 mg cm-2）。c) ZAB与HAB在10 mA cm-2电流密度下的电压曲线。d) ZAB与HAB倍率性能对比。e) HAB与文献报道ZAB的充电电压-电流密度关系图。f) GDE在OER和HOR反应中的线性扫描伏安（LSV）极化曲线（参比电极：Hg/HgO，1 M KOH；扫描速率50 mV s-1）。g) ZAB与HAB的电化学阻抗谱（EIS）（频率范围0.1Hz–1 MHz）。h) 氧气和氢气中GDE对称电池的EIS谱图。i) 原位微分电化学质谱（DEMS）检测的HAB与ZAB充电过程氧气信号。j) HAB阴极反应机理示意图。

四、机制解析：高电流密度促进（002）晶面沉积—氢还原自修复提升稳定性

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。

图3. HAB在锌沉积与GDE稳定性中的优势。 a) 低/高电流密度下锌电沉积机理示意图。b) HAB中锌箔（20 μm）在充电电流密度10/400 mA cm-2下的XRD图谱（充电容量1.5 mAh cm-2，放电电流密度10 mA cm-2循环5次）。c-f) HAB中10 mA cm-2 (c,e) 和400 mA cm-2 (d,f) 电流下沉积锌箔的SEM图像（不同放大倍数）。 g) ZAB在HAB模式→ZAB模式→HAB模式切换循环的电压曲线（充放电参数：放电10 mA cm-2/1.0 mAh cm-2，充电400 mA cm-2/1.5 mAh cm-2）及GDE衰减/恢复机制示意图。h) 不同阶段全电池放电电压曲线。 i-k) 原始GDE (i)、循环50次后HAB的GDE。 (j)、循环50次后ZAB的GDE (k) 的XPS谱图（结合能71.56/74.86 eV对应Pt的4f7/2和4f5/2峰；72.36/75.36 eV对应PtO的4f7/2和4f5/2峰；74.48/77.78 eV对应PtO2的4f7/2和4f5/2峰）。

图4. HAB与ZAB循环性能对比。 a) 首圈循环电压曲线（采用更大充电容量以减少ZnO积累，气氛切换时用氮气吹扫）。b) 长循环过程中ZAB与HAB放电电压曲线。c) 不同循环次数后HAB在氧气中的EIS谱。d) HAB与ZAB电压曲线对比。e) 无锌阳极HAB的电压曲线（活性几何面积：1.0 cm2）。f) 三电池串联HAB组的电压曲线。g) 不同电池技术在能量密度、倍率性能、成本效益、加工性及安全性维度的对比。

五、应用场景：电动汽车与电网储能的变革者

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。

图5. HAB实际应用展示。 a) 定制大型HAB测试装置实拍图b) GDE阴极实拍图（锌阳极厚度0.3 mm）。c) 安培级HAB恒电流电压曲线（固定容量：充电7A/1.4Ah，放电1.4A/1.4Ah）。d) HAB在电动汽车中的应用场景示意图。e) HAB作为大规模储能系统的示意图。

【总结与展望】

王成威团队提出的HAB范式通过重构阴极反应路径，将ZAB的充电效率与速率提升至全新高度。其核心价值体现在三个层面：在科学层面，首次将HOR高效反应整合至二次电池体系，为氢能与电化学储能的深度融合提供了全新范式；在技术层面，实现了“9秒快充”、宽温域（-30°C至25°C）适应性和200次以上长循环寿命的协同突破；在产业层面，为电动汽车快充和电网大规模储能提供了兼具高能量密度、本质安全和超快补能的颠覆性解决方案。展望未来，团队计划探索更多金属（如锂、铁、铝）与燃料（甲烷、乙醇、一氧化碳）的组合，进一步拓展“氢辅助”策略的应用边界，推动下一代储能技术的发展。

【文章信息】

作者团队：向文艺、刘效业、冯冰姿（共同一作），王成威（通讯作者）
原文信息：W. Xiang, X. Liu, B. Feng, J. Hu, C. Zhang, W. Song, X. Ge, S. Zheng, Z. Jin, C. Wang, A Hydrogen-Aided Rechargeable Battery. Adv. Mater. 2025, 2504483. https://doi.org/10.1002/adma.202504483

DOI: 10.1002/adma.202504483
致谢：中国科学技术大学物理科学实验中心提供表征支持

【课题组简介】

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。