北理工团队在二次电池仿生研究方面取得重要进展

　　“让电池活起来”——这并非科幻设想，而是北京理工大学材料学院陈人杰教授团队对未来能源系统提出的全新构想。团队借鉴自然界生命系统数十亿年进化形成的能量自主管理机制，于2026年2月在《National Science Review》(影响因子：17.1)上发表题为“Life Cells for future energy systems: adaptation, evolution and exploration”的前瞻性综述，系统阐述了“生命电池”的设计原理、仿生材料与系统架构，为实现能量从采集、转化、存储到利用的全过程一体化调控提供了新思路，推动电池技术向高效、智能与可持续方向演进。该论文的通讯作者为陈人杰教授，第一作者为北京理工大学赖静宁博士后、张凤玲博士。
 

　　当前，以锂离子电池为代表的传统电池技术正面临能量密度瓶颈、智能化程度不足及环境安全隐患等多重挑战，难以完全满足未来能源系统的复杂需求。如何在提升性能的同时，赋予电池更强的环境适应性、自我管理能力乃至性能“增长”潜能，成为能源存储领域的重要攻关方向。
 

　　从“静态储能”到“内生智能”：生命电池的仿生学破题
 

　　研究团队从跨学科视角出发，将生物细胞与电化学电池进行并置分析，发现二者在能量获取、转化、存储和使用等功能层面存在着深刻的共性。生物之所以为“生命”，源于其能量代谢、动态调控、环境感知、信息处理及自我演化等多维功能的系统整合。团队创新提出“生命电池”概念，旨在超越传统电池的静态存储逻辑，实现材料选择、系统结构与运行机制的“内生生命化”。正如生物系统优先选用丰度高、低毒的元素构建能量循环，生命电池的材料设计也应遵循可持续发展导向；而细胞模块化的结构与边界智能调控机制，则启示生命电池应构建具备响应性、可调节与功能反馈的自组织能量单元。最终，生命电池被定义为一种具备自主能量代谢、动态自我调控、复杂环境适应、信息多维处理及演化潜能升级的内生智能能量系统。这标志着下一代电池正从单纯的性能优化，迈向“系统生命化”演进的根本方向。
 

　　三类“生命驱动”模式：向自然学习能量转化
 

　　在运行机理上，研究团队系统构建了受自然能量策略启发的生命电池体系，并将其划分为三大类：(1)光驱动型：通过模拟光合作用，实现光能到电能的直接转化与存储；(2)呼吸驱动型：借鉴细胞呼吸链的电子传递机制，借助生物或仿生催化剂，高效转化化学能；(3)化能驱动型：学习极端环境微生物的无机物代谢路径，在苛刻条件下实现能量的自主获取。三类系统均遵循“生物原型启发—人工仿生构建”的双轨发展路径，为生命电池在不同场景下的应用提供了多样化的技术原型。
 

　　材料与系统：构建“类生命体”的能量架构
 

　　生命电池高效运行，依赖于多类功能材料的协同构建：仿生催化材料可降低反应能垒；优化的电子传输材料能提升电荷收集效率；具有选择性与响应性的离子传输材料则有助于维持系统动态平衡。此外，光吸收材料、气体传输材料及极端环境耐受材料的引入，进一步拓展了能量捕获范围、改善了反应界面传质，并增强了系统的环境适应性。这些材料集成了自适应调节、抗扰动与功能可塑的“类生命”特性，共同支撑起生命电池的内生智能架构。
 

　　在系统层面，研究进一步借鉴以人体为代表的六大生物系统的功能，构建了集成化的先进生命电池系统：(1)消化系统→多能源输入模块：智能整合与调度太阳能、生物质能与化学能；(2)呼吸系统→氧化介导模块：优化气体传输与反应效率；(3)循环系统→能量-物质传输网络：提升传质速率与系统可靠性；(4)免疫系统→自修复模块：实现故障检测与材料自愈；(5)神经系统→监测反馈模块：通过分布式传感与机器学习算法，实时能量流和信息流调控；(6)肌肉系统→柔性动态响应模块：实现输出与形态的自适应调整。这些仿生模块的协同整合，使生命电池系统具备了多能耦合、智能管理、动态适应与自主维护的综合能力，为其在机器人、电动汽车、航空航天乃至深空探测等复杂场景中的应用奠定了基础。
 

　　展望未来：从实验室走向可持续的能源生命体
 

　　生命电池的发展仍面临从机理、材料到系统的多重挑战，但也蕴含着变革性的应用前景。机理层面需突破自然氧化还原反应的窗口限制，实现更高效的能量管理；材料优化则需借助仿生催化剂、高效传输材料及机器学习辅助的绿色开发策略；系统构建则需借鉴生物多级协调机制，集成智能传感与大数据分析，实现动态能量分配与自适应运行。在应用方面，生命电池有望推动电子皮肤、软体机器人及极端环境探测等领域的能源自主化，其自我维持、程序化修复等“类生命”特性，将进一步拓展能量系统的功能边界。文章也指出，从实验室走向规模化应用仍需建立涵盖材料、算法与伦理的统一标准体系，以保障生命电池体系未来健康、有序的发展。
 

　　团队在吴锋院士牵头下，长期面向国家重大能源需求开展二次电池研究。自20世纪90年代起，团队持续推进镍氢电池关键技术研发，随后在锂离子电池及多电子高比能二次电池新体系方面形成了系统布局与特色积累。近年来，团队进一步围绕智能电池、结构电池、绿色电池、仿生电池及极端环境特种电源等开展创新研究，在材料设计、界面调控、系统集成与场景拓展方面取得一系列进展，为新一代高安全、高适应性储能技术发展提供了重要支撑。