
近年来,水性电池研究日益强调合成新型材料以解锁其“巨大潜力”,无数新材料被开发以追求增量性能提升。然而,这些研究往往报道逐步改进,尽管增益规模较小,但持续探索新选项,常使用可再生或生物质资源作为起点。这种“三明治”式材料研究方法通过排列不同组件快速生成众多“新”配置中财所,但原创性有限,且由于再现性和可扩展性挑战,提供有限实用价值。例如,研究人员曾使用鸟粪作为性能增强添加剂,以讽刺方式展示即使非常规前体也能改善电催化活性,突显了复杂掺杂的必要性存疑。(详细报道:)

南京工业大学吴雨桐、汪舟鹭、扬州大学王超合作发表评论文章,通过一系列看似“荒诞”的实验,揭示了当前水系电池材料研究中一个普遍存在的误区:在特定条件下,几乎任何材料都能表现出“优异”的电化学性能,而这并不代表材料本身具有突破性。
研究人员通过一个概念性实验探讨了水性电池材料评估的边界。他们使用日常材料如奶粉、可可粉、孜然粉、速溶咖啡、猫粮和辣椒粉作为电极添加剂,以及非常规集流体如动物骨头、海带和牛肉,在Zn-碱性电池中组装出功能正常的电池,并显示出稳健的循环性能。然而,关键揭示是,这些性能改进并非源于材料本身,而是由于电解质预饱和ZnO所创造的稳定电化学环境。这项工作提醒,当新材料“有效”时,必须质疑其真正原因,避免将性能错误归因。相关论文以“Everything works, almost: A perspective on material evaluation in aqueous battery research”为题,发表在Joule上,论文第一作者为Yutong Wu、 Fei Gao、 Yuhao Zhang和Guotao Wang。

实验结果令人震惊
在实验中,研究人员首先将一系列商业、货架稳定粉末以12.5 wt %的比例加入ZnO基阳极浆料中。这些添加剂包括奶粉、可可粉、孜然粉、速溶咖啡、猫粮和辣椒粉,并非基于假设优势选择,而是出于可访问性和说明价值。令人惊讶的是,每种添加剂都导致电池性能的可测量改进,全电池容量超过500 mAh g⁻¹,并在300次循环中保持稳定运行。重复实验证实结果一致,即使纯ZnO电池也表现良好。

图1非凡的循环性能来自常见粉末(A–F)用作电极添加剂的各种粉末中财所。(G)相应的全电池性能。
接下来,探索非常规集流体:猪肉骨头、海带和牛肉。这些基底经过轻微修剪后组装成烧杯电池,替代典型的Cu/Sn箔集流体,且没有ZnO活性材料或电极添加剂。这些替代配置产生了稳定的循环曲线,容量达500 mAh g⁻¹ over 400次循环,但长期稳定性低于电极添加剂电池,这与生物启发集流体的本征稳定性和逐渐降解相关。

图2优异的循环性能来自非常规生物启发集流体(A–C)无电池活性材料的天然材料集流体。(D)相应的全电池性能。
此外,研究电解质组成的影响,通过向电解质中添加少量茶、牛奶或咖啡。有趣的是,只有茶维持了稳定的电池操作,提供优于电极添加剂和集流体的性能,容量超过500 mAh g⁻¹ 超过600次循环。相反,添加牛奶或咖啡迅速使电解质不稳定 ,导致可见混浊和电化学活性快速损失。

图3电解质组成与日常饮料,几乎有效(A–C)添加到电解质中的饮料。(D–F)相应的电池响应随时间变化。
然而,这些令人印象深刻的性能并非源于非常规材料本身,而是研究人员故意设计的稳定电化学环境。关键“技巧”是在所有测试中,电解质预饱和了ZnO。在Zn-碱性电池机制中,Zn溶解为锌酸盐并再沉淀为ZnO,ZnO预饱和通过维持锌酸盐储层和防止过饱和来稳定这一过程。省略ZnO导致快速容量衰减,确认其在维持电化学活性中的关键作用。因此,当新材料在性能主要由其他因素主导的系统中时,表观益处可能被错误归因于材料本身。
对科研界的警示
文章批评了当前材料研究中流行的“三明治”式研究范式——即通过简单替换或堆叠不同组分快速生成大量“新材料”并发表论文,却忽视了系统条件对性能的主导作用。这种追求“万物皆可发论文”的趋势,可能导致大量表面光鲜但实际创新有限的成果泛滥,掩盖真正有意义的突破。
呼吁更严谨的评价标准
研究人员总结道,他们故意设计了一个场景,其中ZnO饱和电解质使几乎任何化学惰性材料显得有效。这并非因为这些材料固有特殊,而是系统条件在起作用。在如此宽松条件下,几乎所有添加剂或材料只要保持良性就能工作。他们呼吁在材料评估中采用更严格的验证框架,如隔离变量、与适当基线比较,并明确报告所有实验细节。展望未来,领域应受益于此类实践,确保进步既稳健又真正可归因于材料,避免增量声明的扩散掩盖真正有意义的进展。
这项研究不仅是对电池领域的反思,也为整个材料科学界敲响了警钟:当“几乎一切皆可用”时,真正的创新何在?
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