August 3, 2026

第一/通讯作者：郭雷 共同通讯作者：何忠义 通讯单位：铜仁学院、华东交通大学 工作简介 随着可再生能源的大规模开发与高比例并网，构建具有高安全性、高可靠性和长周期运行能力的大规模储能技术成为新型能源体系发展的关键需求。液流电池凭借活性物质与电化学反应单元解耦、容量扩展灵活、循环寿命长以及安全性高等优势，在长时储能领域受到广泛关注。碱性锌锰液流电池（Alkaline Zn–Mn Flow Batteries，AZMFB）以资源丰富、成本低廉的锌和锰元素作为活性物质体系，兼具较高理论能量密度和良好的经济性，被认为是极具发展潜力的水系储能技术之一。然而，在强碱电解环境下，锌负极仍面临不可逆沉积、枝晶生长、析氢反应以及腐蚀副反应等关键问题。这些界面失稳行为会导致锌沉积/剥离过程可逆性下降，引起电极极化增加、活性物质利用率降低，并最终限制电池循环寿命。 针对上述科学问题，铜仁学院郭雷教授团队联合华东交通大学何忠义教授团队及沙特阿拉伯法赫德国王石油与矿业大学Viswanathan S. Saji教授，提出了一种基于绿色有机添加剂工程的锌负极界面调控策略。研究团队引入具有良好水溶性、生物可降解特性和多配位活性位点的葡萄糖酸钠（Sodium gluconate, SG）作为阳极电解液功能添加剂，通过调控Zn2+局域溶剂化环境，实现对锌离子迁移行为、界面反应动力学以及沉积形貌演化过程的协同调节。 研究结果表明，SG分子中的羧酸根和羟基官能团能够与Zn2+发生特异性配位作用，参与构建新的锌离子溶剂化结构，形成稳定的混合配位络合物，从而优化Zn2+传输过程并促进均匀化锌成核。基于该策略构建的碱性锌锰液流电池在60 mA cm−2高电流密度条件下实现超过600圈稳定循环，库仑效率达到95.6%，能量效率达到81.4%，峰值功率密度达到95.9 mW cm−2，循环寿命较未添加SG体系提升约两倍。 相关成果以“High-performance alkaline zinc-manganese flow batteries enabled by an advanced sodium gluconate additive” 为题发表于国际能源存储领域期刊Journal of Energy Storage。 感谢铜仁学院郭雷教授团队供稿！ 本文所用螺栓型单电池测试夹具（LSB-1） 由武汉之升新能源有限公司提供 《2025年我司用户发表的液流电池论文合集》 研究背景 碱性锌锰液流电池通常采用金属锌作为负极活性材料，并利用高锰酸根/锰酸根液相氧化还原体系作为正极反应对。相比传统MnO2沉积/溶解型锰基体系，液相锰氧化还原体系能够避免固相产物持续累积导致的电极钝化、活性物质损失以及反应动力学衰减问题，同时具备较高反应电位和快速电子转移特征。 然而，锌负极在碱性环境中的沉积行为高度依赖锌物种配位结构、电解液传质过程以及电极/电解液界面微环境。传统碱性体系中，四羟基锌酸根作为主要锌络合物，在电场驱动和浓度梯度作用下容易产生局部离子通量不均，使Zn2⁺优先向电极表面高曲率区域迁移，并诱导非均匀成核和枝晶生长。与此同时，金属锌与强碱性电解液中的活性水分子及OH⁻持续接触，会促进析氢反应和自腐蚀过程，进一步降低锌负极利用率和电化学可逆性。目前，通过三维电极结构设计、界面涂层修饰以及隔膜功能化改性等方法，可以在一定程度上改善锌沉积行为。然而，这些策略通常涉及复杂材料制备过程，并增加电池系统制造成本。相比之下，通过引入功能型电解液添加剂调控局域溶剂化结构和界面反应环境，具有操作简便、成本可控以及易规模化应用等优势。 基于葡萄糖酸钠分子中丰富的含氧官能团，研究团队提出利用SG的多齿配位特性调节Zn2⁺溶剂化结构，并进一步优化锌负极沉积动力学的新策略。 图1 SG调控Zn2+溶剂化结构及锌沉积行为并构建高性能碱性锌锰液流电池的设计示意图 核心内容 1. SG稳定存在并优化锌物种传输行为 在研究初期，研究团队首先系统评价了SG在强碱环境中的化学稳定性。实验结果显示，SG加入6 M NaOH电解液并静置100小时后，体系未出现明显颜色变化或沉淀现象，同时静置前后的循环伏安曲线保持高度一致，表明SG能够在AZMFB强碱运行条件下保持稳定存在。进一步的循环伏安和旋转圆盘电极测试表明，引入SG后，四羟基锌酸根/锌氧化还原过程表现出更优的电化学可逆性，同时未改变锌物种基本扩散机制。由于SG与Zn2⁺之间存在配位作用，其能够适度调节锌物种迁移行为，降低电极表面局部离子浓度梯度，从而改善界面区域Zn2⁺通量分布。通过系统优化SG浓度发现，0.1 M SG能够在界面稳定化作用和离子传输动力学之间实现最佳平衡。较低浓度下，SG难以形成充分的界面调控作用；而过高浓度则可能增加界面传输阻抗。因此，0.1 M SG被确定为后续机理研究和电池性能评价的最佳添加浓度。 图2 不同电解液体系中的循环伏安行为、旋转圆盘电极测试及Zn物种传输特性分析   […]