准固态锌空气电池通常因氧电催化反应迟缓及电化学界面不稳定导致倍率性能受限（<10 mA cm?²）。
2025年3月23日，华南理工大学 刘军 团队在 Journal of the American Chemical Society 期刊发表题为“Ampere-Hour-Scale Quasi-Solid-State Zinc-Air Batteries with a Wide Operating Temperature Range (−50 to 60 ℃)”的研究论文，团队成员 顾腾腾 为论文第一作者，刘军为论文通讯作者。
该研究报道了一种实用准固态锌空气电池体系，空气阴极采用多活性位点的MnFeCoNiRu高熵合金均匀锚定于碳纳米纤维（MnFeCoNiRu/CNF），电解质为聚丙烯酰胺-丙烯酸共聚物（P(AA-co-AM）有机水凝胶，兼具抗冻与导电特性。MnFeCoNiRu/CNF表现出优异的双功能氧反应活性（ΔE=0.64 V）和稳定性（>10000次循环），性能超越商用Pt/C和RuO?。通过原位拉曼光谱与密度泛函理论DFT计算，优势主要源于不同金属位点在氧还原（ORR）和氧析出（OER）反应中的协同作用。另外，添加二甲亚砜（DMSO）的有机水凝胶通过增强分子间氢键网络，在-50°C低温下仍保持高化学/机械稳定性。该电池在500 mA电流和250/500 mAh条件下循环过程展现出7.15 Ah的高容量和110 Wh kg?¹（根据电池整体质量）的能量密度，并可在-50至60°C的宽温域内以5–2000 mA的电流稳定运行。
DOI：10.1021/jacs.4c16807
该研究报道了一种具备商业化潜力的安时级准固态锌空气电池，单电池容量高达7.15 Ah，能量密度达110 Wh kg?¹（根据电池整体质量），在500 mA电流和250/500 mAh条件下通过循环验证，同时兼具机械柔性和-50至60°C的宽温域工作特性（图1）。材料设计策略包括将MnFeCoNiRu高熵合金纳米颗粒（HEA NPs）负载于导电碳纳米纤维基底（MnFeCoNiRu/CNF）作为空气阴极；并采用聚丙烯酰胺-丙烯酸共聚物有机水凝胶（O-P(AA-co-AM)）为电解质。通过原位拉曼光谱表征充放电过程的信号变化，发现MnFeCoNiRu/CNF在不同电位下可暴露差异化活性位点，能够以单一催化剂同时满足ORR/OER双功能需求。理论计算进一步证实，电子相互作用与活性位点的自适应调控是提升双功能催化性能的关键机制。采用所设计的O-P(AA-co-AM)电解质的准固态锌空气电池（QSSZABs）展现出优异的界面稳定性和宽温域适应性。这些材料体系的卓越电化学性能，推动了柔性准固态锌空气电池向商业化应用迈进，为全固态电池的发展注入了新活力。
图1. 商业化安时级准固态锌空气电池结构解析示意图。
图2. MnFeCoNiRu/CNF表征结果。(a) MnFeCoNiRu/CNF的SEM图像；(b) TEM图像；(c) CNF载体上MnFeCoNiRu高熵合金纳米颗粒的粒径分布；(d) 高分辨TEM图像；(e) HAADF-STEM及对应STEM-EDX元素分布图；(f) 各金属元素的质量负载量；(g) XRD衍射图谱；(h) Mn K-edge XANES谱及(k) FT-EXAFS谱（对比样：MnO?和Mn箔）；(i) Ni K-edge XANES谱及(l) FT-EXAFS谱（对比样：NiO和Ni箔）；(j) Ru K-edge XANES谱及(m) FT-EXAFS谱（对比样：RuO?和Ru箔）。
图3. 电催化剂电化学性能。(a) ORR线性扫描伏安曲线（对比样：CNF、FeCoNi/CNF等及商用Pt/C）；(b) 半波电位（E?/?）与0.2 V（vs. RHE）的极限电流密度（J?）对比；(c) MnFeCoNiRu/CNF经10000次循环前后的ORR极化曲线；(d) OER线性扫描曲线（对比样：RuO?等）；(e) 塔菲尔斜率分析；(f) 10000次循环前后的OER极化曲线；(g) 各催化剂ORR/OER双功能活性对比（含Pt/C+RuO?混合体系）；(h) MnFeCoNiRu/CNF与文献典型催化剂的性能对比。
图4. 有机水凝胶电解质表征。(a) 水分子与不同聚电解质骨架相互作用的DFT计算结果；(b) H-P(AA-co-AM)与O-P(AA-co-AM)的应力-应变曲线；(c) 冻干O-P(AA-co-AM)的SEM形貌；(d,e) 对称Zn||Zn电池循环后锌阳极的XRD谱（分别采用H-P(AA-co-AM)和O-P(AA-co-AM)电解质）；(f,g) 采用O-P(AA-co-AM)电解质体系循环12次后CN?、S?、ZnO?等物种的TOF-SIMS二维截面分析及三维重构图像；(h) 采用O-P(AA-co-AM)的对称电池循环性能（10 mA cm?²）；(i) 不同温度下电解质离子电导率。
图5. MnFeCoNiRu/CNF准固态锌空气电池宽温域电化学性能。(a) 开路电压及(b) 30°C下1-100 mA cm?²电流区间的放电平台（对比Pt/C+RuO?体系）；(c) 30°C充放电曲线；(d,e) 10/50 mA cm?²电流下的循环稳定性（每循环20分钟）；(f) 不同温度下的放电/功率密度曲线；(g) 5 mA cm?²电流宽温域循环性能；(h) 宽温域性能对比。
图6. 安时级准固态锌空气电池性能。(a) 开路电压及实物照片；(b) 500 mA恒流放电曲线；(c,d) 倍率性能；(e) 线性扫描伏安曲线与输出功率计算；(f,g) 500 mA电流下0.25/0.5 Ah容量条件的循环曲线。
图7. 原位电化学拉曼分析与理论计算。(a,b) 采用6.0 M KOH电解液，MnFeCoNiRu/CNF与FeCoNi/CNF在充放电过程的原位拉曼光谱；(c) 电荷密度变化与自旋密度分布；(d) *O?与金属的自旋磁矩；(e) xy平面二维电势分布；(f) d带中心位置；(g,h) FeNi?、FeCoNi，MnFeCoNi和MnFeCoNiRu体系ORR/OER反应的吉布斯自由能图。
总之，该研究提出了一种新型准固态锌空气电池（QSSZABs）体系，通过整合设计的MnFeCoNiRu/CNF阴极与P(AA-co-AM)有机水凝胶电解质，展现出卓越的反应动力学、电化学耐久性和超离子导电性。该电池在商业化应用方面表现出三大核心优势，安时级单体电池容量达7.15 Ah，能量密度达到110 Wh kg?¹（根据电池总质量），在500 mA电流和250/500 mAh条件下通过循环验证；具备机械柔韧性；并能够在-50至60°C的极宽温域内稳定工作。材料创新体现在两个维度，一方面，通过静电纺丝与石墨化工艺结合，成功制备MnFeCoNiRu高熵合金纳米颗粒（HEA NPs）。原位拉曼光谱证实该材料在充放电过程中会暴露多活性位点，密度泛函理论DFT计算表明，Mn和Ru原子的引入可向邻近空位提供价电子，削弱了吸附质与合金表面的相互作用强度。另一方面，双链聚合物P(AA-co-AM)有机水凝胶电解质通过调控氢键网络和阳离子溶剂化结构，有效抑制副反应并缓解锌枝晶生长，显著提升电化学界面稳定性。通过性能表征展示，该柔性锌空气电池在50 mA cm?²的高循环速率下能够稳定工作60小时，充放电电压差仅约1.03 V。由于P(AA-co-AM)电解质降低的凝固点和提升的热稳定性，电池在-50至60°C 极端 温度下仍保持优异的循环稳定性与容量保持率。
