南航张校刚/张圣亮等：基于锌铵混合离子的高功率热充电电池

A High-Performance Thermal Charging Cell with High Power Density and Long Runtime Enabled by Zn2⁺/NH₄⁺ Co-Insertion

Zhiwei Han#, Shengliang Zhang#*, Helang Huang, Jing Wang, Hui Dou, Tianran Zhang, and Xiaogang Zhang*

Nano-Micro Letters (2026)18: 173

https://doi.org/10.1007/s40820-025-02011-9

本文亮点

1. 报道了一种锌铵混合离子热充电电池，巧妙结合Zn2⁺高输出电压与NH₄⁺迁移动力学快速的特点，大幅提升低品位热能捕获的热电转换性能。

2. 所制备器件的归一化功率密度高达19.6 mW m⁻2 K⁻2，且能在温差持续条件下稳定运行 72小时，展现出极强的实际应用潜力。

研究背景

低品位废热在工业生产与民用生活场景中大量存在，这类热能普遍具有温度低、分布散的特点，传统回收技术难以实现经济高效的转化利用，造成了严重的能源浪费。锌基热充电器件凭借离子热脱出与热扩散的耦合作用，可直接将低品位热能转化为电能并完成原位存储，为上述能源回收难题提供了一条极具潜力的解决路径。然而，这类器件的发展长期受限于Zn2⁺扩散动力学迟缓的核心缺陷，直接导致其输出功率密度与能量转换效率偏低，难以满足实际应用的性能需求。如何在保留锌基热电器件高输出电压优势的基础上，突破离子扩散速率的瓶颈，构建兼具高功率密度与长时稳定运行能力的热充电体系，成为该领域亟待攻克的关键科学问题。

内容简介

锌基热充电器件虽为低品位热能回收提供了可行路径，但Zn2⁺扩散动力学迟缓的问题导致其输出功率密度与能量转换效率偏低，难以满足实际应用需求。鉴于此，南京航空航天大学张校刚/张圣亮团队提出Zn2⁺/NH₄⁺混合离子电解液的创新设计方案，通过双离子的协同作用破解这一核心瓶颈。该方案巧妙结合Zn2+氧化还原的高电压特性与NH₄⁺独特氢键扩散带来的超快迁移动力学，系统阐明了混合离子体系的工作机制。基于此策略制备的热充电电池，在35 K温差条件下实现了12.5 mV K⁻1的高热电势、19.6 mW m⁻2 K⁻2的优异归一化功率密度，以及12.74%的高卡诺相对效率，且能在持续温差环境下稳定运行超72小时，成功达成热电转换性能与长时稳定性的平衡。这一研究成果为低品位热能的高效回收与利用提供了兼具科学性与实用性的技术路径，展现出广阔的应用前景。

图文导读

I 混合离子热充电电池的热电性能

本研究系统对比了Zn2⁺/NH₄⁺混合离子(HTCC)、纯NH₄⁺(ATCC)与纯Zn2⁺(ZTCC)三种体系的热电性能。HTCC巧妙融合两者优势，既凭借Zn2+双电子转移保留1.08 V高输出电压，又借助NH₄⁺超快动力学实现更快电压增长，有效提升了热电性能。更值得关注的是，HTCC在15 kΩ负载下可稳定运行超72小时，能量输入与输出达成动态平衡，为低品位热能回收提供了高性能、长寿命的实用化方案。

图1. (a)混合离子热充电电池示意图；(b)不同温差条件下的电压变化曲线；(c)热电势拟合图；(d)各热力学过程对总热电效应的贡献度；(e)不同负载电阻下的功率与电流密度关系；(f)塞贝克系数与归一化功率密度对比；(g)卡诺相对效率对比图；(h)35K温差条件下的长期放电曲线。

II Zn2⁺/NH₄⁺共嵌入和热脱出机制

通过多种表征监测电极不同状态发现，放电时Zn2⁺与NH₄⁺共嵌入正极材料层间，热充电阶段，离子在热场作用下逐渐脱出，并向向负极迁移，实现低品质热能向电能的转换与存储。

图2. (a)混合电解质体系在不同反应阶段的电压变化曲线；(b)XRD谱图、(c)拉曼光谱、(d)傅里叶变换红外光谱、(e-h)Zn 2p、N 1s、O 1s及V 2p轨道XPS谱图；(i, j)SEM-EDS元素分布成像。

III 电化学与动力学分析

一系列电化学测试系统探究了Zn2⁺/NH₄⁺在正极材料中的迁移存储特性，证实双离子共同参与电化学反应。混合电解液体系展现出更优异的动力学性能，电荷转移电阻更低、离子扩散系数更高。同时，该体系实现了高容量与优异倍率性能的兼顾，长期循环稳定性显著优于单一离子电解液，为锌铵混合离子热充电电池的高效稳定运行筑牢了电化学基础。

图3. (a)不同电解质体系下的CV曲线；(b)交流阻抗谱；(c)基于GITT测试获得的不同电解质中的离子扩散系数；(d)不同扫描速率下的循环伏安曲线；(e)不同峰值电流的b值；(f)不同扫描速率下的容量贡献比例；(g)倍率性能对比；(h)长循环性能对比。

IV NH₄⁺的独特扩散机制

DFT计算揭示了Zn2⁺/NH₄⁺在正极材料中的迁移机制差异。NH₄⁺借助与层间结晶水形成的氢键实现快速扩散，扩散能垒仅0.41 eV。而Zn2⁺与层间水及V₂O₅骨架形成强离子键，扩散时需克服更高能量障碍，能垒达0.51 eV。层间结晶水不仅拓宽扩散通道，更直接参与NH₄⁺扩散过程，成为其动力学优势的关键。

图4. (a)NH₄⁺迁移过程；(b)Zn2⁺迁移过程；(c)NH₄⁺与Zn2⁺在V₂O₅·H₂O材料中的扩散能垒对比

V 基于凝胶电解质构建准固态热充电电池及其应用

基于PAM水凝胶电解质的准固态热充电电池，实现了安全柔性与高效热电转换性能的统一。并且在完成热充电并消除温差后，热充电电池的电压可以长久的保持稳定，验证了其作为能量转换与存储一体化器件的应用潜力。利用人体与环境之间的温差，单个器件可以驱动小型风扇持续运转，为可穿戴设备自供电提供了切实可行的方案，展现出广阔的实用化前景。图5. (a)准固态混合离子热充电电池结构示意图；(b)有无温差条件下的电压变化曲线对比；(c)热电势拟合图；(d)不同负载电阻下的功率与电流密度变化关系；(e)撤除温差后的电压保持特性曲线；(f)循环稳定性测试；(g)单个准固态HTCC驱动小型风扇的工作演示。

VI 结论

本研究成功将Zn2⁺/NH₄⁺混合离子体系应用于热充电电池，借助双离子共嵌入/热脱出机制，兼具Zn2⁺双电子反应的高电压优势与NH₄⁺快速动力学特性。在35K温差下，器件实现12.5 mV K⁻1的高热电势、24 W m⁻2功率密度及12.74%高相对卡诺效率，且能连续运行超72 h。DFT计算证实，NH₄⁺通过与层间结晶水的氢键作用实现快速迁移。基于水凝胶电解质的可穿戴器件，可利用人体温差驱动小型电子设备。该设计为提升热充电电池的能量转换效率与实用性提供了简洁高效的策略，为低品位热回收利用开辟了新路径。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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