June 10, 2026

第一作者：李云璇 通讯作者：周明月 通讯单位：中国石油大学（北京） 成果简介   水系锌基液流电池（ZFBs）在大规模储能领域展现出巨大潜力。然而，由于锌沉积过程受电极表面及离子电势的影响，导致锌沉积不均匀，从而引起锌枝晶及面容量受限等问题。本研究，中国石油大学（北京）周明月团队提出一种双层电极架构的空间可控沉积策略，该架构以SnO2功能化碳毡（SnO2@CF）作为底层，原始碳毡（PCF）作为顶层。这种结构通过引入成核过电位和锌亲和力梯度，将沉积分布从集中于近膜侧表面堆积转变为全空间均匀分布。基于此，双层电极组装的锌基液流电池实现了330 mAh cm−2的超高面容量和1100 mAh cm−3的超高体积容量，较传统电极提升65%。即使在240 mAh cm−2面容量下和100%深度充电100%深度放电的严苛条件，该电池仍展现出超过175次循环的优异耐久性。本研究通过双层电极设计明显拓展了锌沉积的体积利用率，为调控空间沉积行为提供了稳健策略。   相关成果以“A Bilayer Electrode Architecture Enabling SnO2-Induced Spatial-Controllable Zinc Deposition for Ultra-High-Areal-Capacity Zinc-Based Flow Batteries”为题发表Advanced Materials期刊上。 感谢中国石油大学（北京）周明月团队（第一作者：李云璇）供稿！ 本文所用 一体化液流单电池测试系统 （YTH-1） 由武汉之升新能源有限公司提供   研究背景   锌负极电极改性策略，如杂原子掺杂（P、N、B和O）以及金属/金属氧化物涂层（例如Cu、CuO、Sn、Ag和In），通过增加成核位点和增强电活性成功提高了锌镀层的均匀性。这些方法主要集中在二维尺度或单层基质内的沉积均匀化上。然而，锌沉积仍受离子电势的影响主要沉积在近膜侧电极表面，导致电极内部未被充分利用。即使尝试梯度改性，通常也仅限于单一碳毡且梯度幅度较窄，从而对锌沉积能力的提升有限。此外，大多数报道的策略都应用于相对较厚的碳毡（例如5mm），不仅增加了堆叠厚度，还导致更大的电解液电阻。因此，尽管改性碳毡实现了更高的锌沉积能力，但电极材料的实际利用率仍然较低，导致体积容量较低。 图1 示意图展示了使用原始碳毡（PCF）与复合碳毡（PCF-SnO2@CF）时锌沉积深度差异   从概念上讲，本文假设在电极内部设计一个陡峭的热力学和动力学梯度可以抵消表面主导沉积的倾向。在此，中国石油大学（北京）周明月团队通过构建一种双层复合电极结构来验证此概念，该结构由远离膜的SnO2功能化碳毡（SnO2@CF）底层和邻近膜的原始碳毡（PCF）顶层组成。与以往仅将SnO2用作枝晶抑制剂的研究不同，本工作利用SnO2构建锌亲和力差异的空间梯度进行沉积行为调控，如图1所示。具体而言，SnO2层提供了吸附位点和更高的交换电流密度，从而降低了成核过电位，实现了优先沉积和从内到外的填充模式。当用作负极电极时，PCF-SnO2@CF实现了330 mAh cm−2的创纪录锌沉积容量，比传统碳毡提高了65%。本工作为实用液流电池中稳定、高容量锌负极的开发提供了有前景的途径。   核心内容   本文通过简便的浸渍-热处理方法制备了SnO2功能化碳毡，记为SnO2@CF，从而在碳纤维骨架上形成了一致的SnO2涂层（图2a）。视觉上，与PCF相比，SnO2@CF呈现出从灰色到蓝紫色的均匀颜色转变（图2b），表明SnO2在碳基底上实现了均匀覆盖。如图2c，d所示，SnO2@CF的润湿性较PCF明显增强，促进了锌酸盐离子向电极内部的扩散和吸附。   为比较分析微观结构变化，通过扫描电子显微镜（SEM）对PCF和SnO2@CF进行了表征（图2e，2f）。SEM图像和能谱分析（EDS）显示成功在碳纤维包覆了均匀且薄的SnO2涂层。碳纤维表面均匀的SnO2包覆进一步通过透射电子显微镜（TEM）表征。如图2h所示，包覆层厚度约为200纳米，解释了改性毡的蓝紫色。高分辨率TEM（HRTEM）图像中观察到间距约0.36纳米的清晰晶格条纹，主要对应SnO2的（110）晶面（图2i）。图2j的选区电子衍射（SAED）图谱显示了与SnO2的（101）、（110）和（211）晶面对应的明显衍射环，进一步证实了SnO2的存在。关于孔隙结构，压汞测试结果显示SnO2@CF的孔隙率损失可忽略不计，表明碳纤维表面存在薄而贴合的SnO2包覆层不会压缩锌沉积空间。同时，包覆层厚度对电导率影响极小（SnO2@CF为5.66 S cm−1 vs. PCF的5.23 S cm−1），四探针测量结果进一步验证了此点。因此，SnO2包覆导致的欧姆损失及传质阻抗极小，避免了对电池极化产生不利影响。 图2(a)复合双层电极制备过程的示意图；(b)PCF和SnO2@CF的数码照片；(c)PCF和(d)SnO2@CF的接触角；(e)PCF和(f)SnO2@CF的形貌SEM图像；(g)SnO2@CF的EDS图像；(h)SnO2涂层的TEM和（HRTEM）图像；(j)SnO2@CF具有特征衍射环的SAED图   为研究改性碳毡对锌沉积的影响，作者团队系统评估了SnO2@CF的电化学动力学及在碱性锌铁液流电池（ZIFBs）中的电化学行为。图3a中的循环伏安法（CV）测量结果显示，SnO2@CF上锌酸根离子的起始还原电位正向偏移，表明其成核过电位较低，从热力学角度有利于锌优先沉积。这种优先沉积能力将锌成核导向SnO2@CF界面，促进复合毡内部的锌沉积。图3b中的充电曲线显示出较低的初始平台（PCF为1.83V […]