在大规模储能领域，锌溴液流电池（ZBFBs）一直很有潜力：安全、成本低，像能量搬运工，把风能、太阳能这些不稳定的清洁能源存起来，需要时再释放。但它有个老大难问题——锌离子倾向于在电极/电解液界面形成枝晶，像水管里的水垢，不仅会堵塞通道，更可能刺穿隔膜导致电池短路，严重缩短电池寿命；同时电池在高负荷（高倍率、长循环）下工作时，还易出现极化问题，共同制约着其效率与寿命。

最近，深圳理工大学院士工作站教授、中国科学院院士成会明，材料科学与能源工程学院助理教授梁国进与合作团队在国际期刊ACS Energy Letters上发表最新成果，为锌溴液流电池的寿命和效率问题找到了解决方案。

论文上线截图

研究团队给碳毡表面镀上了一层MXene纳米片，形成了锌离子储层，将界面区域的锌离子有效浓度提升至常规碳毡的364倍，从而促进了锌的均匀成核与沉积，有效抑制了枝晶生长；MXene的高导电性缓解了堵车般的极化问题，让锌溴液流电池在20 mAh cm⁻²和20 mA cm⁻²电流密度下能保持超过1000小时的稳定循环性能，平均能量效率接近85%，让电池稳定性大幅提升。

锌阳极的核心挑战

IHP内锌离子的失衡与极化

锌阳极性能取决于锌离子在电极-电解液界面的有序迁移与沉积。充电时，锌离子经IHP（亥姆霍兹平面，类似于电极和电解液之间的缓冲区）迁移至电极表面成核沉积；放电时则反向迁移。初始循环中，IHP内锌离子与电场分布均匀，锌离子可均匀沉积（图1.a、图1.b）；但循环次数增加后，电极表面突起、缺陷等高表面能区域会富集锌离子与电场，诱发尖端效应（图1.c、图1.d），进而加剧锌离子的不均匀沉积，促使枝晶形成与生长（图1.e），最终，持续生长的枝晶将导致IHP局部区域锌离子耗尽、电荷分布严重失衡，进而引发电池内部短路（图1.f）。

图1.a均匀电场下锌沉积初始阶段示意图；b IHP内部锌离子（Zn2+）均匀分布；c高曲率区域局部电场畸变；d成核位点优先富集Zn2+导致IHP局部离子/电子分布不均；e锌枝晶在循环过程中生长，伴随尖端效应与电场畸变；f锌枝晶堆积引发IHP中Zn2+严重耗尽与电荷失衡

现有解决方案如电解质改性、人工SEI构建等，多通过降低局部锌离子浓度或引入传输阻碍层实现稳定，但因为限制了锌离子的反应通量，这类解决方案仅适用于电流密度低于10 mA cm⁻²的低负荷场景，且难以适配液流电池动态环境。此外，传统电池用的碳毡（CF）、石墨毡（GF）电极对锌离子的吸附弱、活性位点少，易引发欧姆极化、活化极化与浓度极化，加剧性能衰减。

解决方案：MXene@CF

复合电极构建锌离子储层

针对这些难题，团队提出给碳毡电极加上一层Ti₃C₂Tₓ-MXene纳米片，构建MXene@CF复合电极。MXene是一种二维层状材料，兼具高导电性、丰富的亲锌官能团（-O、-OH）与优异的赝电容离子存储特性；碳毡提供三维多孔支撑，保障电极机械稳定性与电解液浸润性。二者复合后，MXene层能在界面处的IHP区域形成一个局域性的高浓度锌离子储层，在充放电过程中，锌离子可快速地从MXene层中吸/脱附，有效保证了界面锌离子的持续、稳定供应；碳毡骨架确保了电子和电解液的高效传输。这种协同作用共同促进了锌离子的均匀沉积，并显著缓解了由传输限制引起的极化问题。

实验验证MXene@CF电极优势：

结构稳、传输快、储锌多

为了验证MXene@CF电极的效果，研究团队做了一系列实验，为提升锌溴液流电池的循环寿命与能量效率提供了充分支撑。

1.结构表征：均匀负载与多孔特性

SEM观察显示，MXene纳米片均匀覆盖碳毡纤维，并呈现出典型的六角对称晶格结构（图2.a）；EDS证实MXene表面氧、钛元素分布均匀，亲锌官能团有效暴露，且成功与碳毡复合。XRD测试表明，MXene沉积10分钟时负载量与结晶度适宜，无脱落现象（图2.b）；N₂吸附-脱附测试显示，电极高介孔孔隙率可增加活性位点，优化界面反应动力学（图2.c）。

2.电化学性能：低极化与高储锌能力

温度依赖性EIS测试显示，MXene@CF电极锌沉积活化能（12.15kJ mol⁻¹）远低于普通碳毡（31.43kJ mol⁻¹），可加速电荷转移（图2.d、图2.e）。CV测试（5 mV s⁻¹）中，MXene@CF在- 0.65 V（vs Ag/AgCl）即出现电流响应，源于赝电容效应形成锌离子储层（图2.f）。CA测试（10 mA cm⁻²）显示，MXene@CF成核过电位（-1.060 V）低于普通碳毡（-1.109 V），电荷积累量为普通碳毡的364倍，IHP内锌离子浓度大幅提升（图2.g、图2.i）。XRD分析进一步验证了MXene对锌离子的存储与缓释作用（图2.h）。

图2.a MXene@CF电极的扫描电镜图像，插图为SAED衍射图谱以验证层状结构；b CF与MXene@CF电极在不同锌沉积时间下的XRD图谱；c CF与MXene@CF电极的孔径分布；d MXene@CF电极的温度依赖性EIS谱；e CF与MXene@CF电极的电荷转移电阻阿伦尼乌斯曲线；f CF与MXene@CF电极在5 mV s−1下的循环伏安曲线；g CF与MXene@CF电极在锌沉积过程中的恒电位曲线；插图：成像区域的放大视图；h MXene@CF电极的XRD图谱对应不同恒电流阶段（g图a−d），星号标记对应金属锌的特征峰；i CF与MXene@CF电极达到锌成核电位所需的理论电荷量

3.理论计算：强吸附与低迁移能垒

DFT计算表明，MXene@CF与锌离子的界面相互作用更强，锌离子吸附能（-0.42 eV）为普通碳毡（-0.20 eV）的2倍，且锌离子迁移能垒显著降低，可促进均匀扩散（图3.a-d）。该特性使MXene@CF能通过锌离子储层去稳定IHP内的离子与电场分布，协同抑制枝晶与极化（图3.e-j）。

图3.a、b MXene@CF与碳纤维（CF）表面锌吸附的差分电荷密度分布图；c CF与MXene@CF表面锌吸附能对比；d CF与MXene@CF表面锌迁移能垒分析；e−j锌离子在MXene基IHP中的逐步富集过程，最终形成稳定且高浓度的锌离子储库

锌溴液流电池性能提升

高稳定性与高效率

为验证对电池性能提升的实际作用，团队把MXene@CF组装至锌溴液流电池中（结构示意图见图6a），系统测试其稳定性与效率。

1.锌沉积形貌优化与界面电场分布优化

SEM观察显示，普通碳毡表面锌沉积呈无序团簇与枝晶（图4.f），而MXene@CF表面形成了致密均匀锌层（图4.g）；数值模拟证实，MXene@CF电极表面的锌离子浓度与电场分布更均匀（图4.a-e）。

图4.a、b电极表面至膜界面处Zn2+浓度与电场分布的模拟结果；c电极表面Zn2+浓度分布曲线；d电流密度分布曲线；e电极表面电势分布曲线；f、gCF与MXene@CF表面锌沉积物的扫描电镜图像

2.极化损失显著缓解

通过极化分解模型（图5.a、图5.b）量化分析：100 mA cm⁻²下，MXene@CF欧姆损失比普通碳毡低0.15V（图5.c、图5.d），浓度损失（0.036V）较普通碳毡（0.056V）降低46%（图5.e）；亲锌官能团还可降低成核势垒，缓解活化极化，整体电压极化显著降低。

图5.a ZBFBs放电过程中电压损失分解示意图，展示欧姆损失（ηR）、活化损失（ηA）和浓差极化（ηC）的贡献；b各极化阶段对应的等效电路模型：阶段A（欧姆损失，R）；阶段B（活化损失，Rct和Cd)；阶段C（浓度损失，Zw)；综合所有极化组件的整体等效电路；c、d不同电流密度下基于CF和MXene@CF的ZBFBs极化分布，分别显示欧姆损失、活化损失和浓度损失的贡献；e CF与MXene@CF电极在不同电流密度（10−100 mAcm−2）下的量化电压损失

3.倍率与循环稳定性

10-100mA cm⁻²范围内，MXene@CF基锌溴液流电池能量效率始终高于碳毡基，高电流下优势更显著（图6.b、图6.c）。20mA cm⁻²、20mAh cm⁻²的高强度工况下，MXene@CF基电池可稳定循环超500次，平均CE95.6%、VE88.5%、EE84.7%，连续工作超1000小时无明显电压衰减（图6.d-f）；而碳毡基电池仅循环100次即失效。

图6.a ZBFBs工作原理示意图；b ZBFBs在不同电流密度（10-100 mA·cm-2）下使用CF和MXene@CF电极的倍率性能测试；c不同电流密度下CF基与MXene@CF基ZBFBs的平均能量效率对比；d在20 mA·cm-2和20 mAhcm-2条件下，CE、VE及EE的长期循环性能测试；e CF基与MXene@CF基ZBFBs在相同条件下的时-电压曲线；f相同条件下约180小时的GCD曲线放大图

“这项研究的核心创新点在于利用MXene的赝电容特性，在电极界面构建了一个动态的锌离子储库，从而维持IHP内离子浓度和电场的稳定，从根源上避免了枝晶的形成和极化效应的加剧。”梁国进表示，该技术不仅能让成本低、安全性高的锌溴液流电池适配于高负荷场景，为风能、太阳能等清洁能源的大规模存储提供可靠选择，还为开发高性能、长寿命的锌基液流电池系统提供了实用方案，有望推动锌基储能领域的发展。

黄海超、曹文文、任嘉友为第一作者，成会明、梁国进以及南方科技大学教授魏磊为通讯作者。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acsenergylett.5c02492（点击下方“阅读原文”查看）

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