微型储能器件，如微型电池和微型超级电容器，由于其在智能微电子领域的潜在应用，包括微型机器人、智能医疗植入物、智能电子皮肤、人体活动监测和无线传感器，受到了人们的广泛关注。其中，微型超级电容器由于其高功率密度、出色的充电/放电率和长循环寿命等优势，被期望在这些先进领域发挥关键作用。然而，它们的面能量密度相对较低，大大限制了它们的应用。为了解决这些问题，研究人员提出具有更高能量密度和更稳定电压输出的微型电池，从而为微电子设备提供可靠的长期能源供应。考虑到低成本、高理论容量和在空气环境条件下易于操作等优点，环保和安全的水系锌基微型电池受到了人们的青睐。不幸的是，由于缺乏合理的设计如负载量不足、对新电池反应的探索不充分以及低的面积利用率，这些微器件的能量密度远远不能满足实际需求。

在大多数水系锌离子电池和有机锂/钠离子电池中，单一充放电循环通常对应于一个电池的可逆氧化还原反应，这一限制性因素使得在单位面积容量和能量输出方面难以取得显著突破。为了满足更高的能源需求，这些微电池常常通过串联或并联的方式连接，这增加了微型设备所占的空间，降低了空间利用效率，并导致资源的过度浪费。因此，在单个电池中集成两个电化学反应的设计成为了解决这一问题的潜在方案。然而，要实现这一方案，必须满足多个关键条件。首先，电解质的选择至关重要：两个电化学反应必须使用一个共同的电解质；或者使用两种不同的电解质，这两种电解质是相容的，可以很好地混合而不会相互干扰。其次，电极的兼容性：两种电极不仅要在空气中保持稳定，还必须彼此兼容，并且在操作条件下无反应，允许使用各种制造工艺构建微电极。第三，电化学窗口：两个反应必须能够在同一电化学窗口内稳定运行，互不干扰。理想情况下，氧化还原反应位点应该不同，顺序反应的设计是最为理想的。通过循环伏安法或直接分析充放电曲线，可以验证双反应系统的成功集成。第四，反应环境：两个反应的电化学条件，包括溶液浓度、pH和反应温度，应尽量保持一致或相近。最后，反应生成物的相容性：第一反应产生的生成物不得干扰或减弱第二反应，反之亦然。理想情况下，第一反应的产物应增强第二反应体系的导电性，从而提高整体的电池容量。实现这一设计理念的关键在于如何在材料相容性和反应动力学之间取得平衡。

本研究提出了一种原位导电性增强辅助的双电池反应策略构建高性能的锌||氧化铋@氧化银微型电池，可以将氧化铋和氧化银的两种转化反应集中到单个微器件中。与简单的将锌||氧化银微型电池和锌||氧化铋微型电池组合在一起不同，该策略利用第一步中氧化银转化反应的原位导电性增强效应显著提高第二步转化反应的反应动力学和放电容量。与单独的锌||氧化铋微型电池相比，放电比容量几乎提高了一个数量级，使得总容量超过两个单独微型电池组合在一起的放电容量的2.1倍。这种创新的方法通过在单个微型器件内顺序耦合两个电池反应来挑战传统的微型电池结构，优化提升了微尺寸空间的利用率，进而改善面积容量和能量密度。因此，所构建的微型器件实现了18705.5 μWh cm⁻²的高面积能量密度。为了直观地展示出色的性能，本研究将单个锌||氧化铋@氧化银微型电池用来给计时器进行供电，发现其可以连续工作3780分钟（超过2.5天），同时亮度没有任何损失。此外，两个串联连接的微型电池能够使200个红色、黄色、绿色、蓝色和白色发光二极管正常工作。此外，锌||氧化铋@氧化银微型电池也可以为可穿戴智能传感器供电，该传感器可以将运动数据无线传输到手机上，从而实现对各种状态的实时监控，包括行走、静止和跑步等。

相关成果以“Dual reaction strategy for in-situ conductivity enhancement to enable high-performing aqueous zinc-based micro-batteries”为题，在国际高水平期刊Nature communications上发表研究性论文。郑州大学化工学院为第一单位，中心2025级博士研究生修心怡为论文第一作者，宋丽老师为论文共同第一作者，靳绪庭副研究员、曲良体教授和周震教授为共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、河南省自然科学基金、河南省科技厅基础研究计划等项目的支持。

原位导电性增强辅助双电池反应策略的锌基水溶液微电池

文章链接DOI：10.1038/s41467-026-69317-z

中心的相关作者简介：

修心怡（第一作者）：郑州大学2025级博士研究生。2022年于青岛科技大学获得化学工程与工艺学士学位，2025年于郑州大学获得材料与化工硕士学位，师从周震教授。2025年于郑州大学化工学院攻读博士学位，师从周震教授，靳绪庭副研究员，研究方向为锌离子电池及其微器件的设计与应用。目前以第一作者身份在Nat. Commun.发表学术论文一篇。

宋丽（共一作者）：现为郑州大学河南先进技术研究院直聘副研究员，博士毕业于天津大学材料学院，2019-2022年于北京理工大学从事博士后研究，合作导师曲良体教授。于2023年5月入职郑州大学先进技术研究院，主要从事水系锌基电池、超级电容器、微型储能器件的研究。目前以一作或通讯在Nat. Commun.、 Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energy Environ. Sci.、Adv. Funct. Mater. 等发表多篇SCI学术论文。

靳绪庭（通讯作者）：现为郑州大学化工学院直聘研究员/副研究员，博士毕业于北京理工大学化学与化工学院，师从曲良体教授。于2022年8月入职郑州大学化工学院周震教授团队，主要从事水凝胶电解质的设计与水系锌基电池/微型储能器件的相关方面的研究。先后主持国自然科学基金面上项目、国自然科学基金青年项目、河南省优秀青年基金项目等。目前以一作或通讯在Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater. (2篇)、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.等发表学术论文16篇。

周震（通讯作者）：山东龙口人。长江学者、享受国务院政府特殊津贴专家。主持国家重点研发计划项目课题和国家自然科学基金重点项目等研究。通过高通量计算、实验与机器学习相结合揭示电化学储能新机制，设计系列锂/钠离子电池固态电解质和电极材料，构筑可充电Li-CO₂电池储能新体系。在国内外期刊发表论文350余篇。论文被引用52000余次，h-index为129。2014-2025年连续12年入围“爱思唯尔”中国高被引学者榜。2018-2025年连续8年入选“科睿唯安”全球高被引科学家。2020年入选英国皇家化学会会士(FRSC)。现为Journal of Materials Chemistry A和Green Energy & Environment等期刊副主编、Journal of Power Sources编辑以及Batteries & Supercaps和《中国稀土学报》等期刊编委以及中国电子学会化学与物理电源技术分会第八届委员会委员、中国化学会理论化学专业委员会委员、中国自然资源学会资源循环利用专业委员会委员和河南省委决策咨询委员会委员。