深圳理工合作成果在大规模储能领域实现新突破

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%，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；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，进而加剧锌离子的不均匀沉积，促使枝晶形成与生长，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。

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。

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。另外，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，系统测试其稳定性与效率，结果显示：实现锌沉积形貌优化与界面电场分布优化；极化损失显著缓解；倍率与循环稳定性得到保证。

“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。

编辑 杨渝嘉 审读 秦天 二审 李璐 三审 潘未末