背景介绍
随着太阳能等可再生能源的快速发展，如何实现能量采集、存储与利用的一体化，已成为能源材料领域的重要研究方向。传统太阳能供能系统通常采用“太阳能电池+储能电池”的分体式架构，虽然技术较为成熟，但仍存在器件结构复杂、能量转换损耗较大以及系统集成成本较高等问题。相比之下，光充电池能够在单一器件中同时实现光能捕获与电化学储能，被认为是构建下一代自供能系统的重要候选方案。
在众多储能体系中，锌离子电池由于具有资源丰富、安全性高、环境友好和成本低等优势，近年来受到广泛关注。若将其与光电转换过程耦合，有望构建兼具绿色性和实用性的光充储一体化器件。然而，目前光充锌离子电池仍面临一个关键瓶颈，即光正极材料的光电转换效率偏低，导致其整体性能受限。MnO2作为一种常见的锌离子存储材料，具有理论容量较高、原料廉价和低毒等优点，但其光生载流子分离能力有限，严重制约了器件的进一步发展。
因此，如何通过界面工程调控MnO2电极中的电荷传输和Zn2+存储行为，进而提升器件的光充电性能，是该领域亟待解决的问题。
成果简介
近日，上海理工大学熊婷团队在 Green Chemistry 上发表题为 Interface engineering of MnO2 for high-performance photo-rechargeable Zn ion batteries 的研究论文。该工作通过在MnO2与Ti基底之间引入一层非晶TiO2界面层，成功构建了MnO2/TiO2光正极，显著增强了光生电子-空穴对分离效率，并加快了后续Zn2+存储动力学，从而实现了高性能光充锌离子电池。
研究表明，该MnO2/TiO2光充锌离子电池在光照条件下可实现374 mAh g-1的高比容量，明显高于暗态下的230 mAh g-1；在纯光充电条件下，器件开路电压可达到1.39 V，最高光电转换效率达到1.5 %。进一步地，作者还构建了由多个器件串并联组成的集成模块，在自然光照条件下完成光充电后，可成功驱动无人机、模型小车和灯泡等电子设备，展示出该体系在柔性、自主供能器件中的应用潜力。该工作为MnO2基光充锌离子电池提供了一种简单而高效的界面设计策略，也为构筑绿色、低成本、可持续的光充储一体化能源系统提供了新思路。
图文简介
图一 光正极的设计
(a) 光充锌离子电池的应用示意图；
(b) 基于MnO2/TiO2光正极的光充锌离子电池工作机理及光充电过程示意图。
图二 光正极的结构与形貌表征
(a) MnO2的XRD图谱；
(b) SEM图像；
(c) TEM图像；
(d) HR-TEM图像；
(e) UV-vis DRS光谱及能带结构示意图；
(f) TiO2@Ti的SEM 图像；
(g) XRD图谱；
(h) EDX能谱及元素分布图；
(i) MnO2@Ti与MnO2/TiO2@Ti的光电流响应。
图三 MnO2光充锌离子电池的电化学性能
(a) 电化学阻抗谱（EIS）测试；
(b) 暗态和光照条件下对应的扩散效率；
(c) 0.5 mV s-1扫描速率下的循环伏安（CV）曲线；
(d) 光照条件下不同扫描速率下的 CV 曲线；
(e) 电容贡献；
(f) 活性位点；
(g) 0.2 A g-1电流密度下的充放电曲线；
(h) 倍率性能；
(i) 暗态和光照条件下的能量密度。
图四 光充锌离子电池的光充电性能
(a) 采用电化学工作站在不同电流密度下进行光充电及后续恒流放电；
(b) 光充电后在光照条件下和暗态条件下放电；
(c) 经过六次光充电测试后的容量保持率；
(d) 柔性光充电锌离子电池示意图；
(e) 单个光充电锌离子电池以及两个并联或串联光充电锌离子电池的光充电与后续放电曲线；
(f) 所制备光充电锌离子电池在不同弯折状态下的电压变化。
图五 光充锌离子电池的应用
(a) 由六个光充电锌离子电池串联和并联组成的模块示意图；
(b) 该模块在晴天户外光照2 h后所达到的电压；
(c) 该模块与无人机集成后的照片；
(d) 由三个光充电锌离子电池组成的模块示意图，以及其为小车 (e) 和灯泡 (f) 供电的应用展示。
总结
综上所述，该工作针对MnO2光充锌离子电池中存在的光生载流子分离效率低、Zn2+存储动力学受限等问题，提出了通过构建非晶TiO2界面层实现界面工程优化的有效策略。该设计显著促进了电子传输和电荷分离，提高了Zn2+嵌脱过程的反应动力学，从而使体系获得更高的光电转换效率。更重要的是，该体系完全基于Zn、MnO2和TiO2等地球丰度高、低毒性材料构建，兼具绿色、低成本和可持续发展的特点。同时，作者进一步展示了柔性器件和模块化电源系统在无人机、模型车和灯泡等场景中的实际应用，证明了该类器件在未来自供能电子、柔性可穿戴器件及分布式能源系统中的应用前景。该工作不仅为高性能光充锌离子电池提供了新的材料与结构设计思路，也为绿色光充储一体化器件的发展提供了有价值的研究基础。
文献链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2026/gc/d5gc06882g
