• 钱阿妞（山西大学）

• 石虎（山西大学、中国科学院北京纳米能源与系统研究所）

• 孙其君（中国科学院北京纳米能源与系统研究所）

柔性镁空气电池采用中性电解质，兼具优异生物相容性与可观能量密度，是可穿戴电子设备的理想储能方案。然而，现有金属空气电池存在短板：锂/钠/钾空气电池用非水电解质生物相容性差，铝/锌/钙/铁空气电池依赖碱性电解质，生物可吸收性与电化学可逆性不足。镁空气电池虽具优势，但面临镁氧化不可逆、阳极易钝化、阴极电催化效率低、电解质与电极适配性差等问题，亟需优化阴极结构与电解质体系以突破瓶颈。

1. 镁电极本征氧化不可逆，阳极易快速钝化，影响电池循环稳定性；

2. 阴极需同时实现高效氧还原反应（ORR）与析氧反应（OER），传统催化剂活性不足、活性位点暴露有限，且传质效率低；

3. 电解质选择受限：非水电解质功率密度低，碱性电解质生物相容性与可逆性差，中性电解质下催化剂与反应路径适配性不足；

4. 放电产物易堆积在电极表面，造成电极堵塞，降低电池耐久性与功率输出。

1. 成功合成锌多孔CoFe@N-CNTs阴极，Zn兼具空间隔离剂与造孔剂作用，形成大曲率氮掺杂碳纳米管包裹Co₀.₇₂Fe₀.₂₈合金结构，拥有丰富微孔/介孔与Co/Fe/Zn-Nₓ活性位点；

2. 该阴极在中性NaCl电解质中表现出优异双功能电催化性能：ORR半波电位0.96 V，OER的Eⱼ=1₀为1.65 V，ΔE=0.772 V，优于商业Pt/C-RuO₂基准；

3. 液态镁空气电池（3.5 wt% NaCl电解质）功率密度达32 mW cm⁻²，放电电流密度105 mA cm⁻²，比容量1107 mAh g_Mg⁻¹，10 mA cm⁻²下可稳定放电47 h；

4. 柔性固态电池（PVA-NaCl凝胶电解质）开路电位1.68 V，峰值功率密度21 mW cm⁻²，弯曲0-150°性能降解<2%，0.2 mA cm⁻²下稳定工作9 h，可驱动可穿戴LED设备；

5. 阴极的金属-Nₓ位点、暴露的CoFe纳米颗粒与Zn诱导微孔，协同含Cl⁻电解质加速放电产物MgO分解，避免电极堵塞，保障反应可逆性。

Figure 1：Zn-pored CoFe@N-CNTs的表面微观结构表征

1. 子图a：展示合成流程，通过前驱体高温碳化，Zn诱导形成多孔结构，最终得到锌多孔CoFe@N-CNTs；

2. 子图b-d（FESEM/TEM）：呈现材料大曲率管状结构，CoFe纳米颗粒被氮掺杂碳纳米管包裹，尺度分别为100 nm（b/c）和20 nm（d）；

3. 子图e（HAADF-STEM/EDS）：证实C、N、O、Co、Fe、Zn元素在碳纳米管框架中均匀分布，Co、Fe富集于核心区域；

4. 子图f-g（SAED/FFT）：明确N-CNTs壳层对应石墨相（002）面（晶格间距0.34 nm），CoFe合金对应（211）（222）（422）晶面；

5. 子图h（XRD）：验证石墨相（26.4°）与Co₀.₇₂Fe₀.₂₈合金相（43.8°、51.1°、75.1°），无金属Zn或ZnO特征峰；

6. 子图i（孔径分布）：该材料含1.3 nm微孔及2.2/3.4 nm介孔，比表面积达496.5 m² g⁻¹，优于CoFe@N-CNTs和Co@N-CNTs；

7. 子图j-m（XPS）：N 1s谱显示吡啶N与M-N配位位点，Co 2p、Fe 2p证实Co³⁺/Co²⁺、Fe³⁺/Fe²⁺价态，Zn 2p验证Zn的存在及配位状态。

Figure 2：Zn-pored CoFe@N-CNTs与商业催化剂的ORR/OER性能对比

1. 子图a（CV曲线）：在O₂饱和0.1 M KOH中，该材料氧还原电位达0.856 V，优于商业Pt/C；

2. 子图b（极化曲线/Tafel）：ORR的E₁/₂=0.88 V、极限电流密度5.6 mA cm⁻²，OER的Eⱼ=1₀=1.65 V，Tafel斜率138 mV dec⁻¹，ΔE=0.772 V，优于Pt/C-RuO₂（ΔE=0.815 V）；

3. 子图c（中性电解质ORR极化）：0.1 M NaCl中E₁/₂=0.96 V，极限电流密度5.1 mA cm⁻²，活性优于同类碳基金属催化剂；

4. 子图d（ΔE对比）：该材料在NaCl和KOH电解质中的ΔE均优于文献报道的NiCoO/NiCoN、Co-N₄/NC等催化剂；

5. 子图e（RRDE测试）：不同电位下电子转移数为3.75-3.82，H₂O₂产率低，以准四电子ORR路径为主；

6. 子图f（双电层电容）：非法拉第区拟合C_d=5.64 mF cm⁻²，表明电化学活性表面积大；

7. 子图g（EIS）：电荷转移电阻（R_ct）低，电极-电解质界面电子传递高效。

Figure 3：液态镁空气电池的电化学性能

1. 子图a（开路电位）：基于该阴极的电池OCV达1.59 V，高于Pt/C-RuO₂基电池；

2. 子图b（过电位电压差）：该电池的ΔE更小，表明ORR/OER动力学更优；

3. 子图c（极化曲线/功率密度）：峰值功率密度32 mW cm⁻²，放电电流密度达105 mA cm⁻²；

4. 子图d（倍率放电曲线）：1-50 mA cm⁻²下放电平台稳定，1 mA cm⁻²时达1.5 V，50 mA cm⁻²时仍保持0.7 V，优于Pt/C-RuO₂基电池；

5. 子图e（长期放电）：10 mA cm⁻²下可稳定放电47 h，电压保持良好；

6. 子图f（实际应用）：两节电池串联可驱动绿色LED（3 V）；

7. 子图g（低电流倍率性能）：0.1-0.5 mA cm⁻²下稳定工作5 h，无明显极化。

Figure 4：放电前后电极结构与产物表征

1. 子图a（阴极形貌）：放电后Zn-pored CoFe@N-CNTs表面清洁，无放电产物堆积，而Pt/C-RuO₂表面出现球形MgO沉积；

2. 子图b-c（XRD）：Mg阳极与该阴极的MgO特征峰（38.1°）在放电后消失，证实MgO分解；

3. 子图d（EIS）：放电后阴极R_ct与原始状态相当，结构稳定性良好；

4. 子图e-f（Raman）：NaCl电解质中，该阴极的MgO特征峰（655、992 cm⁻¹）放电后消失，而Pt/C-RuO₂的MgO峰（1086 cm⁻¹）保持不变；

5. 子图g（非水电解质Raman）：Mg(TFSI)₂/DME中，该阴极的MgO/MgO₂特征峰未消失，证实含Cl⁻电解质促进MgO分解。

Figure 5：柔性镁空气电池的电化学性能

1. 子图a（结构示意图）：由Zn-pored CoFe@N-CNTs阴极、Mg箔阳极、PVA-NaCl凝胶电解质组成；

2. 子图b（弯曲性能）：弯曲0-150°时OCV稳定在1.68±0.02 V，性能降解<2%，两节串联可驱动蓝色LED屏；

3. 子图c-d（极化/倍率）：峰值功率密度21 mW cm⁻²，高于Pt/C-RuO₂基柔性电池（17 mW cm⁻²），1.5-7.5 mA cm⁻²下放电电压稳定；

4. 子图e（性能对比）：功率密度与开路电位优于石墨烯/Ni、Fe-NC(Zn²⁺)等现有柔性镁空气电池；

5. 子图f（长期稳定性）：0.2 mA cm⁻²下稳定工作9 h，电压无明显衰减；

6. 子图g（实际应用）：三节电池串联可驱动柔性LED阵列与可穿戴腕带设备。