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“讓電池活起來(lái)”——這并非科幻設(shè)想，而是北京理工大學(xué)材料學(xué)院陳人杰教授團(tuán)隊(duì)對(duì)未來(lái)能源系統(tǒng)提出的全新構(gòu)想。團(tuán)隊(duì)借鑒自然界生命系統(tǒng)數(shù)十億年進(jìn)化形成的能量自主管理機(jī)制，于2026年2月在《National Science Review》（影響因子：17.1）上發(fā)表題為“Life Cells for future energy systems: adaptation, evolution and exploration”的前瞻性綜述，系統(tǒng)闡述了“生命電池”的設(shè)計(jì)原理、仿生材料與系統(tǒng)架構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)能量從采集、轉(zhuǎn)化、存儲(chǔ)到利用的全過(guò)程一體化調(diào)控提供了新思路，推動(dòng)電池技術(shù)向高效、智能與可持續(xù)方向演進(jìn)。該論文的通訊作者為陳人杰教授，第一作者為北京理工大學(xué)賴(lài)靜寧博士后、張鳳玲博士，文章鏈接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwag065。

當(dāng)前，以鋰離子電池為代表的傳統(tǒng)電池技術(shù)正面臨能量密度瓶頸、智能化程度不足及環(huán)境安全隱患等多重挑戰(zhàn)，難以完全滿(mǎn)足未來(lái)能源系統(tǒng)的復(fù)雜需求。如何在提升性能的同時(shí)，賦予電池更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性、自我管理能力乃至性能“增長(zhǎng)”潛能，成為能源存儲(chǔ)領(lǐng)域的重要攻關(guān)方向。

從“靜態(tài)儲(chǔ)能”到“內(nèi)生智能”：生命電池的仿生學(xué)破題

研究團(tuán)隊(duì)從跨學(xué)科視角出發(fā)，將生物細(xì)胞與電化學(xué)電池進(jìn)行并置分析，發(fā)現(xiàn)二者在能量獲取、轉(zhuǎn)化、存儲(chǔ)和使用等功能層面存在著深刻的共性。生物之所以為“生命”，源于其能量代謝、動(dòng)態(tài)調(diào)控、環(huán)境感知、信息處理及自我演化等多維功能的系統(tǒng)整合。團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新提出“生命電池”概念，旨在超越傳統(tǒng)電池的靜態(tài)存儲(chǔ)邏輯，實(shí)現(xiàn)材料選擇、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與運(yùn)行機(jī)制的“內(nèi)生生命化”。正如生物系統(tǒng)優(yōu)先選用豐度高、低毒的元素構(gòu)建能量循環(huán)，生命電池的材料設(shè)計(jì)也應(yīng)遵循可持續(xù)發(fā)展導(dǎo)向；而細(xì)胞模塊化的結(jié)構(gòu)與邊界智能調(diào)控機(jī)制，則啟示生命電池應(yīng)構(gòu)建具備響應(yīng)性、可調(diào)節(jié)與功能反饋的自組織能量單元。最終，生命電池被定義為一種具備自主能量代謝、動(dòng)態(tài)自我調(diào)控、復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)、信息多維處理及演化潛能升級(jí)的內(nèi)生智能能量系統(tǒng)。這標(biāo)志著下一代電池正從單純的性能優(yōu)化，邁向“系統(tǒng)生命化”演進(jìn)的根本方向。

圖1：生物細(xì)胞與現(xiàn)有電化學(xué)電池的異同

三類(lèi)“生命驅(qū)動(dòng)”模式：向自然學(xué)習(xí)能量轉(zhuǎn)化

在運(yùn)行機(jī)理上，研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)構(gòu)建了受自然能量策略啟發(fā)的生命電池體系，并將其劃分為三大類(lèi)：（1）光驅(qū)動(dòng)型：通過(guò)模擬光合作用，實(shí)現(xiàn)光能到電能的直接轉(zhuǎn)化與存儲(chǔ)；（2）呼吸驅(qū)動(dòng)型：借鑒細(xì)胞呼吸鏈的電子傳遞機(jī)制，借助生物或仿生催化劑，高效轉(zhuǎn)化化學(xué)能；（3）化能驅(qū)動(dòng)型：學(xué)習(xí)極端環(huán)境微生物的無(wú)機(jī)物代謝路徑，在苛刻條件下實(shí)現(xiàn)能量的自主獲取。三類(lèi)系統(tǒng)均遵循“生物原型啟發(fā)—人工仿生構(gòu)建”的雙軌發(fā)展路徑，為生命電池在不同場(chǎng)景下的應(yīng)用提供了多樣化的技術(shù)原型。

圖2：受生物細(xì)胞啟發(fā)的生命電池運(yùn)行機(jī)制

材料與系統(tǒng)：構(gòu)建“類(lèi)生命體”的能量架構(gòu)

生命電池高效運(yùn)行，依賴(lài)于多類(lèi)功能材料的協(xié)同構(gòu)建：仿生催化材料可降低反應(yīng)能壘；優(yōu)化的電子傳輸材料能提升電荷收集效率；具有選擇性與響應(yīng)性的離子傳輸材料則有助于維持系統(tǒng)動(dòng)態(tài)平衡。此外，光吸收材料、氣體傳輸材料及極端環(huán)境耐受材料的引入，進(jìn)一步拓展了能量捕獲范圍、改善了反應(yīng)界面?zhèn)髻|(zhì)，并增強(qiáng)了系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性。這些材料集成了自適應(yīng)調(diào)節(jié)、抗擾動(dòng)與功能可塑的“類(lèi)生命”特性，共同支撐起生命電池的內(nèi)生智能架構(gòu)。

在系統(tǒng)層面，研究進(jìn)一步借鑒以人體為代表的六大生物系統(tǒng)的功能，構(gòu)建了集成化的先進(jìn)生命電池系統(tǒng)：（1）消化系統(tǒng)→多能源輸入模塊：智能整合與調(diào)度太陽(yáng)能、生物質(zhì)能與化學(xué)能；（2）呼吸系統(tǒng)→氧化介導(dǎo)模塊：優(yōu)化氣體傳輸與反應(yīng)效率；（3）循環(huán)系統(tǒng)→能量-物質(zhì)傳輸網(wǎng)絡(luò)：提升傳質(zhì)速率與系統(tǒng)可靠性；（4）免疫系統(tǒng)→自修復(fù)模塊：實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)與材料自愈；（5）神經(jīng)系統(tǒng)→監(jiān)測(cè)反饋模塊：通過(guò)分布式傳感與機(jī)器學(xué)習(xí)算法，實(shí)時(shí)能量流和信息流調(diào)控；（6）肌肉系統(tǒng)→柔性動(dòng)態(tài)響應(yīng)模塊：實(shí)現(xiàn)輸出與形態(tài)的自適應(yīng)調(diào)整。這些仿生模塊的協(xié)同整合，使生命電池系統(tǒng)具備了多能耦合、智能管理、動(dòng)態(tài)適應(yīng)與自主維護(hù)的綜合能力，為其在機(jī)器人、電動(dòng)汽車(chē)、航空航天乃至深空探測(cè)等復(fù)雜場(chǎng)景中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

圖3：受人體六大系統(tǒng)啟發(fā)的先進(jìn)生命電池系統(tǒng)

展望未來(lái)：從實(shí)驗(yàn)室走向可持續(xù)的能源生命體

生命電池的發(fā)展仍面臨從機(jī)理、材料到系統(tǒng)的多重挑戰(zhàn)，但也蘊(yùn)含著變革性的應(yīng)用前景。機(jī)理層面需突破自然氧化還原反應(yīng)的窗口限制，實(shí)現(xiàn)更高效的能量管理；材料優(yōu)化則需借助仿生催化劑、高效傳輸材料及機(jī)器學(xué)習(xí)輔助的綠色開(kāi)發(fā)策略；系統(tǒng)構(gòu)建則需借鑒生物多級(jí)協(xié)調(diào)機(jī)制，集成智能傳感與大數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)能量分配與自適應(yīng)運(yùn)行。在應(yīng)用方面，生命電池有望推動(dòng)電子皮膚、軟體機(jī)器人及極端環(huán)境探測(cè)等領(lǐng)域的能源自主化，其自我維持、程序化修復(fù)等“類(lèi)生命”特性，將進(jìn)一步拓展能量系統(tǒng)的功能邊界。文章也指出，從實(shí)驗(yàn)室走向規(guī)模化應(yīng)用仍需建立涵蓋材料、算法與倫理的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)體系，以保障生命電池體系未來(lái)健康、有序的發(fā)展。

團(tuán)隊(duì)在吳鋒院士牽頭下，長(zhǎng)期面向國(guó)家重大能源需求開(kāi)展二次電池研究。自20世紀(jì)90年代起，團(tuán)隊(duì)持續(xù)推進(jìn)鎳氫電池關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，隨后在鋰離子電池及多電子高比能二次電池新體系方面形成了系統(tǒng)布局與特色積累。近年來(lái)，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步圍繞智能電池、結(jié)構(gòu)電池、綠色電池、仿生電池及極端環(huán)境特種電源等開(kāi)展創(chuàng)新研究，在材料設(shè)計(jì)、界面調(diào)控、系統(tǒng)集成與場(chǎng)景拓展方面取得一系列進(jìn)展，為新一代高安全、高適應(yīng)性?xún)?chǔ)能技術(shù)發(fā)展提供了重要支撐。

課題組近期在二次電池仿生研究方面的部分代表性工作如下：

1. Smart batteries for powering the future[J]. Joule, 2024, 8 (2): 344-373. （IF=38.6，第一作者：孟倩倩博士后）（系統(tǒng)提出智能電池的“感知-響應(yīng)-控制-決策”一體化框架，闡明其構(gòu)建方法、集成路徑與應(yīng)用場(chǎng)景，支撐生命電池的整體智能設(shè)計(jì)）論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.joule.2024.01.011

2. Spin-polarized d-orbital filling in cobalt catalysts boosts solution-mediated Li-O2 batteries. National Science Review, 2025, 12 (6), nwaf145. （IF=16.3, 第一作者：張鳳玲博士）（揭示自旋極化d軌道占據(jù)調(diào)控催化劑活性實(shí)現(xiàn)高能效與長(zhǎng)循環(huán)，支撐呼吸驅(qū)動(dòng)型生命電池催化材料研究）論文鏈接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf145

3. Electrochemical Energy Storage toward Extreme Conditions： Driving Human Exploration Beyond Current Boundaries. Chemical Reviews, 2025, 125 (12), 5674–5744. （IF=55.8, 第一作者：尚研欣博士后/黃永鑫副教授）（系統(tǒng)梳理極端溫度多工況下儲(chǔ)能體系的材料-界面-反應(yīng)耦合規(guī)律，并提出面向極端環(huán)境電源的設(shè)計(jì)策略，推動(dòng)了生命電池在復(fù)雜工況下的可靠應(yīng)用）論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.4c00863

4. Photo‐Induced Dynamic Catalytic Domains for High‐Performance Lithium‐Sulfur Batteries. Advanced Materials, 2025, 37 (38), 2506839. （IF=26.8，第一作者：劉毓皓博士/胡正強(qiáng)博士）（構(gòu)建光誘導(dǎo)動(dòng)態(tài)催化域，利用光激發(fā)調(diào)控雙原子活性加速反應(yīng)轉(zhuǎn)化，體現(xiàn)生命電池多能耦合與動(dòng)態(tài)調(diào)控特征）論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202506839

5. Advanced High Energy Density Secondary Batteries with Multi‐Electron Reaction Materials[J]. Advanced Functional Materials, 2024, 34 (52), 2410948. （IF=18.5，第一作者：張伯燾碩士/高圣鈺碩士）（系統(tǒng)總結(jié)多電子反應(yīng)材料在高能量密度二次電池中的儲(chǔ)能機(jī)制、關(guān)鍵瓶頸與設(shè)計(jì)策略，為生命電池高效能量代謝提供材料基礎(chǔ)）論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202410948

6. Li2MoO4 Tailored Anion‐enhanced Solvation Sheath Layer Promotes Solution‐phase Mediated Li‐O2 Batteries[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2024, 136 (52), e202412035.（IF=16.6，第一作者：張鳳玲博士/胡正強(qiáng)博士）（通過(guò)陰離子增強(qiáng)溶劑化鞘層的構(gòu)筑與調(diào)控，實(shí)現(xiàn)電池界面穩(wěn)定性提升，模擬了生命體系中智能邊界層的物質(zhì)篩選與動(dòng)態(tài)防御機(jī)制。）論文鏈接：https://doi.org/10.1002/ange.202412035

7. A supramolecular deep eutectic electrolyte enhancing interfacial stability and solution phase discharge in Li-O2 batteries. Angewandte Chemie International Edition, 2024, 63 (48), e202409965. （IF=16.6，第一作者：孫雯碩士/張鳳玲博士）（設(shè)計(jì)超分子深共晶電解質(zhì)以穩(wěn)定界面并促進(jìn)電池溶液相放電，構(gòu)建可調(diào)微環(huán)境，支撐呼吸驅(qū)動(dòng)型生命電池的物質(zhì)輸運(yùn)）論文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202409965

8. Learning from nature: Biomimicry in secondary batteries[J]. Materials Today, 2025, 82, 223-250. （IF=22.0，第一作者：張寧博士）（系統(tǒng)梳理二次電池仿生研究在材料、界面與系統(tǒng)層面的應(yīng)用進(jìn)展及挑戰(zhàn)，進(jìn)一步明確了智能化、輕量化、綠色化的發(fā)展路徑，為儲(chǔ)能技術(shù)從“仿形”到“仿生”再到“賦靈”的演進(jìn)，奠定了理論與方法論基礎(chǔ)。）論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2024.11.009

9. Dynamic Covalent Bonds Regulate Zinc Plating/Stripping Behaviors for High‐Performance Zinc Ion Batteries[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2024, 136 (31), e202406597. （IF=16.6，第一作者：郭亞飛碩士）（引入動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵調(diào)控鋅沉積/剝離過(guò)程，實(shí)現(xiàn)界面材料自增韌與損傷修復(fù)，提升循環(huán)穩(wěn)定性，從而賦予生命電池自適應(yīng)與自修復(fù)特征）論文鏈接：https://doi.org/10.1002/ange.202406597

10. Effective Ionic Potential Guided Dual-Gradient Structural Engineering for Spent LiCoO2 Upcycling. Advanced Materials, 2026, 38 (10), e19347. （IF=26.8，第一作者：燕喬一博士）（通過(guò)雙梯度結(jié)構(gòu)工程實(shí)現(xiàn)廢舊LiCoO2正極高值化升級(jí)回收與高壓穩(wěn)定性提升，體現(xiàn)綠色再生與層級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的關(guān)鍵理念）論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202519347

11. Biomass-Derived Polyanionic Interface Modulates the Electrical Double Layer to Achieve Ultrareversible Zinc Metal Anodes. Advanced Energy Materials, 2025, 15(48), e04350. (IF=26，第一作者：嚴(yán)瑾博士)（構(gòu)建來(lái)源于生物質(zhì)的多陰離子界面層，實(shí)現(xiàn)界面Zn2+富集與副反應(yīng)陰離子排斥的協(xié)同調(diào)控，為生命電池提供了生物質(zhì)功能材料融合設(shè)計(jì)的技術(shù)支撐）論文鏈接：https://doi.org/10.1002/aenm.202504350

12. Bifacial leaf-inspired tailored design for asymmetric quasi-solid-state electrolytes enabling high-performance lithium metal batteries. Energy Storage Materials, 2025, 81, 104511. (IF=20.2，第一作者：劉子欣博士)（受“雙面葉片”結(jié)構(gòu)啟發(fā)，構(gòu)建具有空間功能分區(qū)的非對(duì)稱(chēng)準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)體系，支撐生命電池仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與界面協(xié)同調(diào)控）論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2025.104511

附作者簡(jiǎn)介：

賴(lài)靜寧，北京理工大學(xué)特立博士后，合作導(dǎo)師為吳鋒院士和陳人杰教授。主要從事多電子高比能二次電池關(guān)鍵材料與機(jī)理研究、仿生能源材料與系統(tǒng)設(shè)計(jì)等科研工作。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人主持國(guó)家級(jí)項(xiàng)目五項(xiàng)，包括國(guó)自然青年基金（C類(lèi)）、博新計(jì)劃、博士后科學(xué)基金面上資助及特別資助等。以第一/通訊作者身份在A(yíng)ngew. Chem. Int. Ed.(4)、Natl. Sci. Rev.(2)、Adv. Funct. Mater.、Energy Storage Mater.等期刊發(fā)表SCI論文十余篇（其中高被引論文1篇）；申請(qǐng)中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利10余項(xiàng)、國(guó)際專(zhuān)利1項(xiàng)，獲授權(quán)1項(xiàng)；作為技術(shù)骨干參與國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目等多項(xiàng)基礎(chǔ)研究課題；多次參與組織國(guó)際會(huì)議，并做邀請(qǐng)報(bào)告。

張鳳玲，北京理工大學(xué)2021級(jí)博士生，師從陳人杰教授，研究方向?yàn)槎嚯娮痈弑饶芏坞姵夭牧显O(shè)計(jì)和原位表征技術(shù)。以第一/共一作者身份在Natl. Sci. Rev.(2), Angew. Chem. Int. Ed.(3), Matter, Proc. Natl. Acad. Sci.等發(fā)表學(xué)術(shù)論文十余篇，申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利6項(xiàng)，重點(diǎn)參與省部級(jí)重點(diǎn)工程、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)等項(xiàng)目。在校期間獲得中國(guó)國(guó)際大學(xué)生創(chuàng)新大賽北京市二等獎(jiǎng)、“世紀(jì)杯及互聯(lián)網(wǎng)+”學(xué)生創(chuàng)業(yè)競(jìng)賽校級(jí)金獎(jiǎng)/銀獎(jiǎng)、北京理工大學(xué)研究生科研水平和創(chuàng)新能力提升專(zhuān)項(xiàng)計(jì)劃及多次國(guó)際會(huì)議優(yōu)秀口頭報(bào)告等。

陳人杰，北京理工大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。入選國(guó)家級(jí)人才計(jì)劃，英國(guó)皇家化學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)士、中國(guó)工程前沿杰出青年學(xué)者等。主要從事多電子高比能二次電池新體系及關(guān)鍵材料、新型離子液體及功能復(fù)合電解質(zhì)材料、特種電源用新型薄膜材料與結(jié)構(gòu)器件、綠色二次電池資源化再生、智能電池及信息能源融合交叉技術(shù)等方面的教學(xué)和科研工作。