基于水凝胶暖贴的低温和急电源设计：化学能转化与户外应急供电新策略

针对户外极端环境下体温维持与电力供应双重难题，中国科学院团队创新性地将暖贴化学能转化为电能，开发出基于水凝胶电解质的铁-空气电池（Fe-air battery）。该电池在-20℃下仍能输出0.98V电压和2.68Ah容量，可通过串联为手机供电，为野外救援提供关键通信保障。这项发表于《Science Bulletin》的研究突破了传统便携电源的低温限制，实现了暖贴材料的多功能化应用。

　　

在户外探险和极限运动日益流行的今天，参与者常面临极端低温与电力短缺的双重威胁。2021年黄河石林马拉松21人遇难的悲剧，暴露出传统便携电源在严寒环境下的失效风险。暖贴虽能通过4Fe + 3O₂

• 2H₂
  O → 4FeOOH反应（ΔG° = -370.03 kJ mol^-1
  ）产热，但其蕴含的1665.94 kJ mol^-1
  化学能长期未被有效转化为电能。针对这一空白，中国研究人员在《Science Bulletin》发表突破性成果，将普通暖贴改造为能在-20℃工作的水凝胶基铁-空气电池系统。

研究团队采用三大关键技术：1）开发含3%聚丙烯酸钾(PAAK)和0.5%木质素磺酸钠(SL)的6 mol L^-1
KOH水凝胶电解质，解决低温凝固和泄漏问题；2）设计过渡金属氧化物纳米棒催化剂（MnO₂
/Co₃
O₄
）替代贵金属铂，实现低成本氧还原反应(ORR)；3）利用暖贴原包装非织造布构建电池组装体系，实现现场快速部署。

【材料与表征】通过水热法合成的MnO₂
纳米棒催化剂在0.1 mol L^-1
KOH中ORR起始电位达0.91V，接近铂催化剂水平（1.03V）。X射线衍射(XRD)证实其α-MnO₂
晶型结构，比表面积达189 m²
g^-1
。

【电池性能】组装的单电池在-20℃下仍保持0.98V开路电压，0.2A放电时容量达2.68Ah。四电池串联后可输出3.92V电压，成功为智能手机充电。水凝胶电解质在-20℃仍保持1.2×10^-2
S cm^-1
离子电导率，且无泄漏风险。

【机制分析】电化学测试揭示两段放电平台：第一阶段（-0.88V）对应Fe→Fe(OH)₂
，第二阶段（-0.61V）为Fe(OH)₂
→FeOOH转化。添加SL使自放电率降低62%，能量转换效率提升至81%。

这项研究开创性地实现了三大突破：1）将日常暖贴转化为应急电源，理论能量密度达1684 Wh kg^-1
；2）水凝胶电解质突破低温限制，拓展了水系电池应用场景；3）非贵金属催化剂方案使成本降低90%。该技术不仅解决了户外活动的"电力荒"问题，更为极端环境下的能源供给提供了普适性解决方案。研究团队特别指出，未来可通过优化FeOOH生成动力学进一步提升放电容量，这项"变废为宝"的设计理念或将在灾害救援、极地勘探等领域产生深远影响。