第一作者：张倩

通讯作者：刘建路，张行荣，刘杰

通讯单位：山东海化集团，青岛科技大学

工作简介

锌–溴液流电池（ZBFBs）作为清洁能源的储能系统备受关注。然而，锌沉积不均会导致枝晶生长和循环耐久性差。本文提出了一种有效的电解液设计，实现锡与锌的共沉积，持续暴露锡活性位点。X射线光电子能谱和元素成像分析证实了金属锡被成功嵌入锌沉积层中。锌在锌/锡表面的扩散能垒较低，可避免锌的聚集，从而抑制枝晶生长。同时，聚乙二醇改善的润湿性能有助于提升界面离子传输效率。因此，在120 mA cm^-2电流密度下，该ZBFB实现了优异的循环稳定性，经过800次循环后库仑效率仍达97.25%。

感谢山东海化集团（第一作者：张倩）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

清洁的可再生能源在高效储能技术的支持下得到了快速发展。由于其固有的安全性和低成本，水系锌基电池受到了广泛关注。其中，锌–溴液流电池（ZBFBs）因其高能量密度而具有巨大潜力。然而，锌沉积不均会导致枝晶生长和死锌的产生，从而引发内部短路并缩短循环寿命。此外，析氢副反应（HER）会降低储能效率。

核心内容

1.SnCl₂的沉积与作用机理研究

图1:(a，b) 锌在纯锌和锌/锡表面的扩散路径与扩散势垒；(c-f) 在不同电解质中的计时电流曲线、奈奎斯特图、循环伏安曲线和塔菲尔曲线。

共沉积策略可持续将Sn位点暴露在电极表面。密度泛函理论（DFT）计算（图1a和b）表明，Zn/Sn合金具有更低的Zn扩散能垒（0.0166 eV vs 0.0296 eV），这促进了Zn的平面扩散，并抑制了Zn的聚集以及后续枝晶的生长。CA曲线实验在恒定过电位−150 mV下展示了Zn的沉积行为。图1c显示，在ZAE中需要更长的时间才能实现三维沉积，同时伴随电流急剧上升。这归因于Zn传输动力学缓慢，导致Zn原子聚集并形成大量突起，随后后续Zn倾向于在尖端沉积，从而引发枝晶生长并显著增加电极表面积。然而，在SZAE中，由于Zn沉积受到控制且更加均匀，能够快速实现三维沉积，并保持较小且稳定的电流。得益于SZAE中的均匀沉积，Zn板||碳毡非对称电池在循环后表现出显著降低的电化学阻抗（图1d）。CV曲线（图1e）表明SZAE中锌沉积动力学更快，而Tafel曲线（图1f）则表明其具有更高的耐腐蚀性。

图2：(a-c)在SZAE中锌沉积后碳毡电极的XPS谱图；(d) 在SZAE中锌沉积后碳毡纤维的横截面SEM图像；(e-g)横截面的元素分布图。

X射线光电子能谱（XPS）全谱显示，电化学沉积后存在锌和锡的信号（图2a）。高分辨率Zn 2p和Sn 3d XPS谱图进一步证实了金属锌和金属锡的共沉积（图2b和c）。碳毡纤维在锌沉积后的截面SEM图像及元素分布图（图2d-g

）显示，在碳纤维表面形成了一层沉积物，且锡元素被掺入锌沉积层中，并在纤维边缘富集。这是由于电解液中Sn²⁺与Zn²⁺浓度差异显著，导致锡沉积时产生明显的浓度极化现象。

2.聚乙二醇作用机理研究

图3：(a，b) 柠檬酸和抗坏血酸的静电势分布及其与Sn²⁺的结合能；(c) H₂O分子对碳表面及PEG修饰碳表面的结合能；(d) 电解质在衰减全反射模式下的傅里叶变换红外光谱；(e) 碳毡对不同电解质的接触角。

图3a中的DFT计算表明，柠檬酸和抗坏血酸具有明显的负静电势区域，能够吸附金属阳离子。通常情况下，柠檬酸和抗坏血酸对Sn²⁺的结合能分别达到−8.1和−6.3 eV（图3b），较强的配位作用有助于在电解液中稳定Sn²⁺。图3c显示碳毡对H₂O分子的亲和力较差，而PEG则提高了其对H₂O分子的亲和力。图3d中–OH峰从3222.81 cm⁻¹移至3224.38 cm⁻¹，表明水分子与PEG之间形成了氢键。因此，SZAE对碳毡的润湿性能得到改善（图3e），这有利于提升界面离子传输及沉积动力学。

3.电化学性能研究

图4：(a，b)不同阳极电解液中ZBFB的库仑效率和能量效率；(c) ZAE和SZAE中ZBFB的充放电曲线；(d，e) SZAE中ZBFB在120 mA时的库仑效率及充放电曲线；(f) 与先前报道的ZBFB相比的循环耐久性。

核心结论

为了提高ZBFBs中锌沉积的可逆性和稳定性，作者开发了一种易于扩展且高效的电解液设计，通过电化学共沉积实现锡（Sn）原位掺入锌沉积层。与表面改性相比，该策略可使锡位点持续暴露于电极表面。密度泛函理论（DFT）计算表明，锌在Zn/Sn表面上的扩散能垒更低，从而能够避免锌沉积团聚和枝晶生长，有效提升锌基液流电池（ZBFBs）的循环寿命。

文献信息

Qian Zhang, Haiqiang Liu, Chenxu Wen, Yunguo Qi, Jianhong Dong, Suting Liu, Jianlu Liu, Xingrong Zhang, Jie Liu，Enhancing the cycling durability of zinc-bromine flow batteries enabled by the Zn-Sn alloy electroplating, 2026, Materials Letters 

https://doi.org/10.1016/j.matlet.2026.141443