研究背景:
先进储能技术是清洁能源转型的关键支撑，但其在偏远地区或植入式医疗设备等特殊场景中的应用仍受限于外部充电的依赖，导致维护成本高昂且能源自主性不足。自充电技术通过集成能量采集与储能模块，为构建自供能电子器件提供了有前景的解决方案。然而，碱金属离子电池（如锂离子电池）所采用的密闭无氧无水体系，从根本上限制了其与环境能量的直接交互。水系电池则因其在空气中的优异性能和稳定性，可采用开放式结构直接暴露于环境，持续转化并存储光、机械振动等广泛分布的环境能量。在众多水系体系中，自充电水系锌离子电池凭借其本征安全性、成本效益和环境友好性脱颖而出。其不仅具备能量来源多样性与自发性、能量转换小型化与高效性等核心特征，还实现了智能调控、长期免维护运行及对环境能量波动的自适应能力。这些特性使SC-AZIBs能够克服传统储能的局限，显著提升在恶劣或偏远环境下工作的设备供电可靠性，为传统电源难以部署的场景提供关键技术支撑。
图文摘要示意图
成果简介：
华北电力大学吕玮/徐超&中南大学周江在Advanced Energy Materials期刊发表题为“From Material to System: A Review of Self-Charging Aqueous Zinc-Ion Batteries”的文章。该综述系统总结了自充电水系锌离子电池（SC-AZIBs）领域的研究进展，首次对空气自充电、光致自充电及机械自充电三种机制进行了系统性分析，阐明了各自在不同应用场景下的适用性优势。文章从正极材料设计与集成器件两个层面，深入评估了现有策略在解决关键科学问题方面的有效性。在此基础上，系统归纳了SC-AZIBs面临的五大核心挑战：材料本征局限性、系统耦合效率、极端环境适应性、能源供需匹配及标准化体系缺失。针对上述问题，该综述提出了从基础材料到系统设计的全链条创新路径：在机理研究方面，需借助同步辐射原位表征与多尺度模拟揭示耦合机制，并结合机器学习建立协同设计原则；在材料创新方面，应开发具有能量响应特性的活性材料及动态自适应界面层；在器件集成方面，需构建稳定多相界面、发展先进封装技术并引入AI辅助的智能能量管理系统；在标准化评估方面，应建立统一的材料制备工艺、性能测试规程及系统级评价方法。该综述为高性能SC-AZIBs的研发提供了系统的理论依据与技术指导，有望推动其在深海监测、空间装备及可穿戴电子等极端场景下的实际应用。
图文解读：
图1. 自充电正极材料与一体化自充电水系锌离子电池的示意图。
图2. 自充电水系锌离子电池工作机制的示意图
图3. （a）源自木质素磺酸钠的Na+预嵌入V2O5/C复合材料的示意图及其（b）空气自充电机理。（c）原位空气自充电和恒流放电过程的示意图。（d）富缺陷VS2微玫瑰材料的设计概念。（e）N–ZnMn2O4−x/VG的合成路线。（f）MXene@VO2复合材料的示意图及（g）其空气自充电机理。（h）Bi掺杂MnO2合成过程示意图，以及（i）Zn//MnO2和Zn//Bi掺杂MnO2电池的空气自充电机理。
图4. （a）偶氮阴极的反应与空气自充电机理。（b）SHQP的合成步骤。（c）完全放电态和自充电态下SHQP分子的分子静电势分布。（d）聚合物阴极中H+ 和 Zn2+量实验测定，（e）用于电聚合的单体。（f）三(4,4’-二氨基二苯胺)（DADA）在充电态和放电态下的分子静电势，（g）空气自充电过程中三(4,4’-DADA)分子静电势的演变及吉布斯自由能变化。（h）2,5-二氨基环己-2,5-二烯-1,4-二酮（DABQ）摄入Zn²⁺后的分子构型。（i）TFHATN和TCLHATN的分子结构。
图5.（a）含有吩嗪物种的共轭微孔聚合物（PNZ-CMP）作为空气自充电有机电极的合成，以及（b）Zn/PNZ-CMP（或PNZ）电池的示意图。（c）阳离子存储过程中的结合能变化，以及（d）苯并咪唑连接的共轭微孔聚合物四氨基苯醌（TABQ）-1,3,5-三(4-羧基苯基)苯（H3BTB）的 proposed 自充电机理。（e）利用勒夏特列原理解释促进空气自充电反应的示意图。（f）多孔芳香框架（PAF-305）的合成与结构示意图。（g）水系锌离子电池（AZIBs）工作机理示意图。（h）PAF-305单元与不同金属离子的结合能。
图6.（a）K-NHPC电极的制备，（b）电池型与电容型空气自充电阴极的对比。（c）Zn/PANI@Pt/C和Zn/PANI电池的空气自充电机理示意图，（d）空气自充电过程中PANI的结构演变。
图7. （a）PVO有机-无机杂化复合材料的制备及其（b）空气自充电机理。（c）MoS₂/PANI复合材料的溶剂化与去溶剂化过程示意图，（d）所构建的SC-AZIBs（自充电水系锌离子电池）的工作机理。（e）Zn//Bi₂Te₃@C电池中恒流放电与空气自充电过程的示意图。
图8. （a）锌-聚合物电池中生物催化自充电的示意图。（b）使用PANI/Hb阴极的空气自充电水系锌离子电池（SC-AZIB）示意图。（c）治疗型水系锌离子电池（AZIB）的自充电机理，以及（d）调控治疗型AZIB的电化学以加速细菌感染的慢性伤口愈合的示意图。
图9. （a）具有MoS₂-ZnO异质结构阴极的SC-AZIBs（自充电水系锌离子电池）的光致自充电机理示意图，（b）MoS₂/ZnO光阴极的形貌及（c）能带图。（d）半金属V₂O₃在光致SC-AZIBs中的工作机理。（e）应用场景示意图，（f）MoSe₂-VSe光阴极的合成。（g）光照下Zn²⁺/H⁺共嵌入α-MnO₂的示意图，以及（h）基于α-MnO₂/rGO电极的电池的光致自充电机理。（i）光致SC-AZIBs在光照开启/关闭条件下的充放电机理示意图。
图10. （a）VO₂/ZnO的光致自充电机理，（b）平面Au–VO₂–Au叉指电极光探测器在黑暗和光照（λ ∼ 455 nm）条件下的电流-电压曲线。插图为叉指光电极的示意图。（c）SnO₂@MnO₂的工作机理示意图。（d）Zn//NTCOF/SnO₂电池在光照下的自充电机理。（e）用于光致自充电的双功能钙钛矿/Te阴极。（f）基于TiO₂/VO₂的SC-AZIBs（自充电水系锌离子电池）的光致自充电机理示意图。（g）基于NiCo-LDH/ZnIn₂S₄/CNT阴极的光致SC-AZIBs的电池结构及（h）光生载流子的电荷迁移。
图11. （a）MoS₂/CNTs阴极的光致自充电机理。（b）基于MoS₂/CNTs阴极的光致自充电水系锌离子电池（SC-AZIBs）示意图。（c）C@VO₂/ZMRAs结构的三维示意图。（d）基于Pt/电解液/C@VO₂/ZMRAs/Al掺杂ZnO（AZO）/玻璃结构的电化学光伏电池三维结构图。（e）基于C@VO₂/ZMRAs阴极的SC-AZIBs的光致自充电机理。（f）MoS₂/SnO₂量子点@CC的能带及其所构建的光致SC-AZIBs在光照与黑暗条件下的工作机理。（g）柔性SC-AZIBs的示意图。（h）VO₂/C@SiCuOC电极的光致自充电机理。
图12. （a）V₂O₅/P3HT/rGO复合阴极的光致自充电机理，（b）V₂O₅纳米纤维的扫描电子显微镜图像，插图为高分辨率透射电子显微镜图像，（c）由两个基于V₂O₅/P3HT/rGO的光致SC-AZIBs供电的1.5 V温湿度计的照片。（d）VO₂–rGO SC-AZIBs的光致自充电机理及（e）堆叠结构的能带图。（f）BiOI@MWCNTs阴极的光致自充电机理。（g）电池结构的示意图，以及BiOI@MWCNTs光电极在（h）黑暗状态和（i）光照状态下的反应机理。
图13. （a）织构化压电1T MoSe₂/CC复合阴极的制备，（b）自支撑薄膜的照片，以及（c）基于1T MoSe₂/CC阴极的柔性SC-AZIBs（自充电水系锌离子电池）示意图。（d）基于PVDF-ZnO隔膜的SC-AZIBs的充放电示意图及（e）机械自充电机理。
图14. （a）基于PC、（b）VO以及（c）VO-PC阴极的热提取效应，（d）所构建的非等温自充电电池示意图。（e）基于V₂O₅@rGO的热致SC-AZIBs（自充电水系锌离子电池）示意图，（f、g）所构建的（f）健康监测系统及（g）体热充电健康监测系统示意图。（h）NiHCF/Zn电池组的详细结构。
图15. 不同自充电水系锌离子电池的放电容量与开路电压比较。
图16. （a）基于Zn²⁺插层FeVO₄阴极的空气自充电水系锌离子电池（SC-AZIB）的电池结构，（b）由三节串联电池供电的LED灯泡照片。（c）基于碳基保护结构的三电极体系光致自充电水系锌离子电池示意图。（d）将甲脒铅碘薄膜与碳浆料集成前后的光致SC-AZIBs系统顶面的数码图像。（e）基于MoS₂/SnO₂ p-n异质结阴极的光辅助空气自充电SC-AZIBs的工作机理，以及（f）在光照下向电池中通入氧气后的电池电压。
图17. （a）纳米发电机和太阳能电池充电电容器/电池系统。（b）U形SC-AZIBs（自充电水系锌离子电池）的结构及（c）充放电机理，（d）移除密封胶带后触发的空气自充电机理示意图，（e）4.7英寸空气自充电锌-钒电池的光学图像。（f）集成具有两种充电模式的SC-AZIBs的智能夹克示意图，以及（g）由该智能夹克供电的智能手机的光学图像。
图18. （a）用于光电和传感材料的多功能MnO₂@PANI复合阴极的合成，（b）所构建的光响应Zn//MnO₂@PANI电池示意图，（c）基于Zn//MnO₂@PANI电池的传感器阵列监测手指按压和压力，（d）该光纤传感器的蓝牙传输。（e）多源SC-AZIB（自充电水系锌离子电池）的传感及（f）自充电机理。
图19. （a）电疗用SC-AZIBs（自充电水系锌离子电池）的储能机理示意图。（b）用于增强HAPs（羟基磷灰石）效果的电池驱动缺氧发生器，（c）针对肿瘤治疗设计的自充电电池结构，以及（d）存在SC-AZIBs情况下的肿瘤预防机理示意图。（e）Zn/PEDOT+磺酰罗丹明B（SRB⁻）微棒的组成/结构，（f）其与PEDOT相关的主要电化学反应。
图20. （a）开发下一代自充电水系锌离子电池的前瞻性技术策略。
文献链接：
Wei Lv,* Junlin Liu, Zilei Shen, Yue Sun, Qiumei Li, Eman Ramadan Elsharkawy, Zeinhom M. El-Bahy, Dalal A. Alshammari, Chao Xu,* Jiang Zhou*, From Material to System: A Review of Self-Charging Aqueous Zinc-Ion Batteries, Advanced Energy Materials. https://doi.org/10.1002/aenm.71212
