清华大学曲良体教授《自然·通讯》：开发新型离子电子发电器，实现超高功率输出！

随着人机交互技术的快速发展，离子电子学近年来备受关注。与传统电子学依赖电子作为电荷载体不同，离子电子学通过在界面处整合电子-离子电荷传输与信号交换，实现了多样化的功能。其中，离子电子发电机（IPG）能够将自然能量转化为电能，为自供电设备和生物电子应用提供了重要可能。然而，现有IPG的功率密度和输出电流仍显不足，成为其走向商业化的重要瓶颈。为突破这一限制，研究人员一直在探索如何构建更高效的不对称离子-电子界面，以提升能量转换效率。

近日，清华大学曲良体教授团队提出了一种基于“固有不对称离子电子界面”与“可控能量释放门”的新型离子电子发电机（AEPG）。该装置通过可逆的电子耦合离子振荡机制，实现了高达3680 W m⁻³的体积功率密度、18.4 W m⁻²的面积功率密度以及超过5 A的峰值电流，创造了目前同类发电机的最高性能纪录。该研究不仅为可穿戴电子设备提供了新的供电方案，也为从低品位环境能源中获取高性能电能指明了新方向。相关论文以“Intrinsic asymmetric iontronic-interfaces for giant power generation”为题，发表在

Nature Communications

该发电机的核心在于其“固有不对称离子电子界面”的设计。研究团队选用了具有相反表面电荷的纳米结构二氧化锰（MnO₂）和钛碳化钠（Ti₃C₂Tₓ MXene）作为电极材料。扫描电镜和透射电镜图像显示，MnO₂为均匀的数百纳米颗粒，而MXene则为1–3微米的片层结构。两种材料表面分别带有正负电荷，并具有多孔纳米结构，有利于离子在界面处的自发吸附与存储。通过Zeta电位、开尔文探针力显微镜和紫外光电子能谱等一系列表征，研究团队证实了二者之间存在明显的界面电势差，且具备较高的本征界面电容，为高效离子-电子耦合提供了基础。

图1 | 可逆发电的设计原理。 通过界面氧化还原反应介导的可逆界面离子振荡的发电过程示意图。AEPG由固有不对称离子电子界面和可控能量释放门组成。固有不对称界面促进离子-电子耦合相互作用，能量释放门优化能量转换路径，协同确保巨大的电力输出。

图2 | 固有不对称离子电子界面的纳米结构与界面不对称性表征。 a. MnO₂纳米颗粒的SEM图像。b. MXene纳米片的TEM图像。c. 在纤维素支架上组装的多孔MXene膜的SEM图像。d. MnO₂和MXene薄膜在NaCl水溶液（200 mM）中的Zeta电位。e, f. MnO₂（e）和MXene（f）的相对表面电势。g. MnO₂和MXene薄膜的UPS光谱比较。h. 用于分析本征电容的-Z″与1/2πf的线性关系。i. 表面电荷与离子吸附的不对称离子电子界面特性示意图。

在发电性能方面，基于MnO₂与MXene构建的AEPG单元在无需外部充电的情况下，可实现0.45 V的开路电压和30 mA的短路电流，并具备良好的循环稳定性。研究发现，仅具有不对称性但界面电容较低的材料组合（如MnO₂-石墨）则电流输出很小，说明界面电容与不对称性共同决定了高性能输出。引人注目的是，研究团队引入了“能量释放门”设计，通过光、热、力等环境触发实现间歇性能量释放。实验表明，带有能量释放门的AEPG在115小时内累积输出能量密度达543 J m⁻²，是无门装置的33倍，证明了该设计在优化能量转换路径中的关键作用。

图3 | 不对称电极发电机的循环发电性能。 a. 对称与不对称电极对器件的开路电压和短路电流比较。b. 长时间短路放电后AEPG的电压演变。c. 重复放电/再生循环过程中的电压-时间曲线。d. 无能量释放门的AEPG电流-时间曲线。e. 无能量释放门装置的电能密度输出。f. 带能量释放门的AEPG电流-时间曲线。g. 带能量释放门装置的电能密度输出。

为揭示其工作机制，团队通过电化学石英晶体微天平实时监测界面离子质量变化，发现放电时离子脱离界面，再生成时重新吸附，证实了可逆离子振荡的存在。原位拉曼光谱和X射线光电子能谱显示电极材料在循环中结构稳定。此外，溶解氧在再生过程中被消耗，并检测到羟基自由基的生成，说明界面氧化还原反应介导了电荷转移，为离子再吸附和能量再生提供了驱动力。

图4 | 工作机制分析。 a. 循环发电的拟议工作原理示意图。b. 原位电化学石英晶体微天平测试示意图。c. 发电过程中MnO₂和MXene电极的质量变化随时间曲线。d. 放电/再生循环中MnO₂和MXene电极的电势演变。e. 循环发电过程中电极材料的等高线型原位拉曼光谱。f. 溶解氧浓度随时间变化。g. 发电前后电极对的电子顺磁共振谱。

该发电机具备良好的可扩展制造与柔性集成潜力。利用连续涂布与浸涂工艺，团队成功制备出长达4.5米的电极卷材，并可组装成A4纸尺寸的大面积器件，短路电流超过5 A。通过串联集成，电压可随单元数量线性提升。此外，器件在千次弯曲后仍保持95%的电流输出，体积功率密度在5 Ω负载下达3680 W m⁻³，优于以往报道的各类离子电子发电机。

图5 | AEPG的可扩展性与柔性。 a. 长度达4.5米、宽度9厘米的MnO₂电极卷材照片。b. 不同器件面积的AEPG短路电流曲线。c. 不同串联单元数的AEPG开路电压曲线。d. 本工作与以往报道的其他类型离子电子发电机短路电流的系统比较。e. AEPG在不同负载电阻下的体积功率密度。f. 不同弯曲循环后的电流保持率。插图为弯曲中的AEPG照片。

在应用演示中，团队开发出一款自供电智能纺织品，集成AEPG发电单元、人体运动触发的能量释放门、电源管理模块与微控制器，能够为智能手机充电、驱动柔性光纤发光显示器，并实现温湿度环境的实时监测与显示。该系统可为对环境感知能力较弱的人群提供及时的环境反馈与穿着指导，体现出其在可穿戴健康与物联网系统中的实用前景。

图6 | 自供电智能可穿戴纺织品的应用演示。 a. 实现物联网系统的智能可穿戴纺织品示意图。b. 集成自供电系统、体耦合能量释放门、指示灯、环境传感器和显示纺织品的智能可穿戴纺织品照片。c. 服装内表面自供电系统照片。d. 自供电智能纺织品的电路设计示意图。e. 集成AEPG充电的30 mAh锂离子电池电压-时间曲线。f. 自供电系统的标准化输出电压。g. 自供电系统为智能手机充电的照片。h. 用于智能显示与环境监测（温湿度）的智能纺织品照片。

该研究通过结合固有不对称离子电子界面与可控能量释放门，实现了离子电子发电机在功率、电流和可扩展性方面的重大突破。其“缓慢收集–集中释放”的工作模式为从低品位环境能源中获取高性能电能提供了新范式。该成果不仅推动了高性能离子电子电源的发展，也为面向下一代柔性电子与自供电系统的界面工程策略指明了方向。