“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，文章链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwag065。

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。

图1：生物细胞与现有电化学电池的异同

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。

图2：受生物细胞启发的生命电池运行机制

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。

图3：受人体六大系统启发的先进生命电池系统

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。

课题组近期在二次电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）（系统提出智能电池的“感知-响应-控制-决策”一体化框架，阐明其构建方法、集成路径与应用场景，支撑生命电池的整体智能设计）论文链接：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：张凤玲博士）（揭示自旋极化d轨道占据调控催化剂活性实现高能效与长循环，支撑呼吸驱动型生命电池催化材料研究）论文链接：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/黄永鑫副教授）（系统梳理极端温度多工况下储能体系的材料-界面-反应耦合规律，并提出面向极端环境电源的设计策略，推动了生命电池在复杂工况下的可靠应用）论文链接：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：刘毓皓博士/胡正强博士）（构建光诱导动态催化域，利用光激发调控双原子活性加速反应转化，体现生命电池多能耦合与动态调控特征）论文链接：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：张伯焘硕士/高圣钰硕士）（系统总结多电子反应材料在高能量密度二次电池中的储能机制、关键瓶颈与设计策略，为生命电池高效能量代谢提供材料基础）论文链接：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：张凤玲博士/胡正强博士）（通过阴离子增强溶剂化鞘层的构筑与调控，实现电池界面稳定性提升，模拟了生命体系中智能边界层的物质筛选与动态防御机制。）论文链接：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：孙雯硕士/张凤玲博士）（设计超分子深共晶电解质以稳定界面并促进电池溶液相放电，构建可调微环境，支撑呼吸驱动型生命电池的物质输运）论文链接：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：张宁博士）（系统梳理二次电池仿生研究在材料、界面与系统层面的应用进展及挑战，进一步明确了智能化、轻量化、绿色化的发展路径，为储能技术从“仿形”到“仿生”再到“赋灵”的演进，奠定了理论与方法论基础。）论文链接：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：郭亚飞硕士）（引入动态共价键调控锌沉积/剥离过程，实现界面材料自增韧与损伤修复，提升循环稳定性，从而赋予生命电池自适应与自修复特征）论文链接：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：燕乔一博士）（通过双梯度结构工程实现废旧LiCoO2正极高值化升级回收与高压稳定性提升，体现绿色再生与层级结构设计方面的关键理念）论文链接：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：严瑾博士)（构建来源于生物质的多阴离子界面层，实现界面Zn2+富集与副反应阴离子排斥的协同调控，为生命电池提供了生物质功能材料融合设计的技术支撑）论文链接：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：刘子欣博士)（受“双面叶片”结构启发，构建具有空间功能分区的非对称准固态电解质体系，支撑生命电池仿生结构设计与界面协同调控）论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2025.104511

附作者简介：

赖静宁，北京理工大学特立博士后，合作导师为吴锋院士和陈人杰教授。主要从事多电子高比能二次电池关键材料与机理研究、仿生能源材料与系统设计等科研工作。作为项目负责人主持国家级项目五项，包括国自然青年基金（C类）、博新计划、博士后科学基金面上资助及特别资助等。以第一/通讯作者身份在Angew. Chem. Int. Ed.(4)、Natl. Sci. Rev.(2)、Adv. Funct. Mater.、Energy Storage Mater.等期刊发表SCI论文十余篇（其中高被引论文1篇）；申请中国发明专利10余项、国际专利1项，获授权1项；作为技术骨干参与国家重点研发计划、国家自然科学基金面上项目等多项基础研究课题；多次参与组织国际会议，并做邀请报告。

张凤玲，北京理工大学2021级博士生，师从陈人杰教授，研究方向为多电子高比能二次电池材料设计和原位表征技术。以第一/共一作者身份在Natl. Sci. Rev.(2), Angew. Chem. Int. Ed.(3), Matter, Proc. Natl. Acad. Sci.等发表学术论文十余篇，申请发明专利6项，重点参与省部级重点工程、国家重点研发等项目。在校期间获得中国国际大学生创新大赛北京市二等奖、“世纪杯及互联网+”学生创业竞赛校级金奖/银奖、北京理工大学研究生科研水平和创新能力提升专项计划及多次国际会议优秀口头报告等。

陈人杰，北京理工大学教授，博士生导师。入选国家级人才计划，英国皇家化学学会会士、中国工程前沿杰出青年学者等。主要从事多电子高比能二次电池新体系及关键材料、新型离子液体及功能复合电解质材料、特种电源用新型薄膜材料与结构器件、绿色二次电池资源化再生、智能电池及信息能源融合交叉技术等方面的教学和科研工作。