June 6, 2026

第一作者：邓征坤 通讯作者：何忠义&郭雷 通讯单位：华东交通大学&铜仁学院 DOI: 10.1039/d6ta02451c 感谢论文第一作者邓征坤（华东交通大学与铜仁学院联合培养研究生）供稿！ 工作简介 本研究针对中性锌锰液流电池中 Mn3+歧化、MnO2不可控沉积及正极界面反应可逆性不足等问题，提出采用乙酰脲（Ace）作为多功能正极添加剂的调控策略。Ace 分子中的羰基和氨基可与Mn2+发生强配位作用，重构锰离子溶剂化结构，调节电解液氢键网络，并优化正极/电解液界面化学环境，从而抑制不可逆“死锰”生成，促进 MnO2在碳毡表面的均匀、稳定和可逆沉积。结果表明，加入 0.1 M Ace 后，中性锌锰液流电池的循环寿命由80圈延长至380圈，库仑效率由83%提升至98%，能量效率由74%提高至86%。此外，在高电流密度和高面容量运行条件下，Ace 调控体系仍表现出优异的电化学可逆性、较低的极化和良好的循环稳定性。该研究为开发高安全、低成本、长寿命的中性锌锰液流电池提供了有效的分子调控策略，也为锰基水系储能体系的工程化应用提供了重要参考。该研究由邓征坤同学在铜仁学院联合培养期间完成，得到了铜仁市科技局项目“锌锰液流电池关键材料与性能研究”及铜仁市碳酸锰矿资源综合利用实验室等科技创新平台的大力支持。 《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》 研究背景 中性锌锰液流电池因具有安全性高、资源丰富、成本较低和环境友好等优势，被认为是面向大规模储能的潜在技术路线。然而，该体系仍面临Mn3+歧化、副产“死锰”形成以及MnO2沉积不均匀等问题，容易导致活性物质损失、界面极化加剧和容量快速衰减，限制电池的循环寿命与能量效率。因此，如何从电解液溶剂化结构和正极界面化学两个层面协同调控Mn2+/MnO2氧化还原过程，是提升中性锌锰液流电池可逆性和稳定性的关键。 核心内容 1. Ace对锰氧化还原动力学与界面电荷传递的协同优化 乙酰脲分子具有典型的Lewis碱特征，其羰基氧和酰胺氮上的孤对电子可与Mn2+发生配位作用。静电势分布结果表明，Ace 分子中羰基和氨基区域具有明显极性，既可作为氢键受体/供体参与水系氢键网络重构，又可通过配位作用稳定锰物种。循环伏安测试显示，引入 Ace 后，MnSO4电解液中Mn2+/MnO2氧化还原峰间距明显减小，表明电极反应极化降低、可逆性增强；同时，氧化峰电流由2.08 mA提高至2.36 mA，还原峰负向电流由−1.69 mA增大至−1.95 mA，说明锰氧化还原反应的表观动力学得到改善。 进一步的不同扫速CV 测试表明，氧化/还原峰电流与扫速平方根呈良好线性关系，说明Ace 的加入并未改变Mn2+/MnO2反应以扩散控制为主的基本特征，而是通过稳定有效锰物种、减少不可逆MnO2沉积损失，提高活性物质利用率和界面反应效率。EIS 结果显示，Ace 体系高频区半圆直径明显减小，表明界面电荷转移阻抗降低，电极/电解液界面处的电荷传递过程更加顺畅，从而进一步促进锰氧化还原反应动力学。     图1. Ace对锰氧化还原动力学和界面电荷传递的影响   2. 全电池长循环与倍率性能显著提升 在全电池层面，Ace 对锰物种溶剂化结构和正极界面化学的调控作用能够有效转化为中性锌锰液流电池的性能提升。研究首先对 Ace 添加浓度进行优化，结果表明，0.10 M Ace 体系表现出最佳综合性能：较低浓度对锰物种和界面的稳定作用有限，而过高浓度则可能因传质阻力增加或界面吸附过度而影响反应动力学。因此，0.10 M Ace 被确定为后续电池性能测试的最优添加量。 在10−60 mA cm−2电流密度范围内，含Ace 电池的能量效率在各电流密度下均优于空白组，尤其在50和60 mA cm−2高倍率条件下优势更加明显，说明Ace 能够有效缓解高电流密度下的极化损失。在20 mA cm−2、10 mAh cm−2条件下，Ace 调控体系可稳定运行约380圈，而空白体系约80圈后快速衰减；同时，Ace 体系在长循环过程中保持接近100%的库仑效率和较稳定的能量效率，表明其具有更强的界面反应可逆性和循环稳定性。经过350圈循环后，Ace 体系仍保持清晰稳定的充放电平台，放电平台与初始循环基本一致，说明正极Mn2+/MnO2反应在长循环过程中仍具有良好的可逆性。在40 mA cm−2的高电流密度下，Ace体系在15和20 mAh cm−2面容量条件下仍能维持较高库仑效率和相对稳定的能量效率，显示出良好的高功率与高容量适应性。与已报道的中性锌锰液流电池体系相比，该工作在循环寿命、累计容量和效率保持方面均表现出较强竞争力，其中累计容量达到3765.8 mAh，进一步证明了Ace 添加剂策略在长寿命锰基液流电池中的应用潜力。   图2. Ace显著提升中性ZMFB全电池循环稳定性与倍率性能 为了进一步验证Ace添加剂在变电流运行条件下的适应性，对电池倍率响应和恒流充放电行为进行了分析。结果显示，在10−60 mA cm−2 的变电流密度测试中，Ace 调控体系能够保持稳定的库仑效率；当电流密度由高值恢复至10 mA cm−2 时，电池电压响应能够较快恢复，说明该体系在高负载运行后仍具有良好的可逆恢复能力和倍率适应性。恒流充放电曲线显示，与未添加Ace 的MnSO4体系相比，Ace-MnSO4 体系在高电流密度下表现出更稳定的电压平台和和更好的容量保持能力。随着电流密度升高，空白体系放电电压明显下降、充电电压显著升高，而Ace 体系仍能维持较低的充电电压和较高的放电电压，说明 Ace 能够有效抑制充放电极化。此外，pH物种分布结果表明，Ace 在中性电解液中主要以稳定的自由分子形态存在，有利于其持续发挥Mn2+配位调控和界面稳定作用。 图3. Ace体系的倍率响应与极化抑制行为   […]