文章导读

在可再生能源大规模并网和长时储能需求增长的背景下，安全、低成本、可扩展的储能体系成为电网侧应用的关键。水系锌基液流电池兼具液流体系的安全性和可扩展性，以及锌资源丰富、成本低和负极容量高等优势，被认为是面向大规模储能的重要候选。然而，从实验室性能走向实际应用仍受两类核心问题制约：锌负极沉积/剥离可逆性损失，以及活性物质跨膜迁移与穿梭。该综述围绕实用运行条件下的失效机制和调控策略展开，系统总结锌负极稳定化、活性物质跨膜迁移抑制、膜/隔膜选择性传输和流动工况验证等关键进展，并提出面向SOC/SOH诊断和真正可流动锌储能库的未来方向。

关键词：水系锌基液流电池、锌沉积/剥离、活性物质穿梭、膜工程、实用运行条件、长时储能

Citation：Zhiquan Wei, Dedi Li, Xinru Yang, Yiqiao Wang, Qingshun Nian, Shixun Wang, Chunyi Zhi. Advancements for Aqueous Zn-based Flow Batteries: Challenges and Perspectives[J]. Materials Futures. DOI: 10.1088/2752-5724/ae7e99

文章亮点：

• 构建水系锌基液流电池从体系定位、失效机制到调控策略的综述框架。

• 强调锌负极失效与活性物质跨膜迁移/穿梭是实用化中的两条核心且耦合的退化路径。

• 系统归纳电解液调控、界面/功能层工程和电极结构设计对锌负极可逆性的改善策略。

• 提出面向实用工况的未来评价方向，包括强制液流验证、SOC/SOH诊断、稳定电解液平衡和可流动锌储能库。

图1. 实用水系锌基液流电池中的锌负极失效、活性物质穿梭、传质阻抗和耦合退化。

研究背景

风光发电的波动性推动电网侧储能向更长时长、更高安全性和更低成本发展。液流电池通过外部储液罐储存活性物质，电堆负责功率输出，因而具有能量与功率相对解耦、热管理方便和系统维护灵活等特点。水系锌基液流电池进一步引入低成本、高容量的锌负极，可与碘、溴、铁、锰等多种正极化学体系匹配，具备较好的能量密度和成本潜力。但锌通常以金属沉积形式储存在反应器内，使体系仍带有半液流特征；同时，枝晶/死锌、析氢、跨膜穿梭和电解液失衡等问题会相互耦合。因此，仅以循环圈数评价性能已不足够，亟需面向实际液流工况的失效分析和统一评价框架。

本文要点

此部分根据文章结构对研究内容进行梳理，重点突出作者整理的框架图、失效机制图和策略逻辑图。

【要点1】体系定位：从储能需求到锌基液流优势

综述首先将水系锌基液流电池放在储能技术和液流电池化学体系中进行比较。液流电池的核心优势来自反应器–储液罐结构，能量主要由电解液体积和浓度决定，功率主要由电堆面积和数量决定，适合长时储能和电网侧规模化部署。与全钒、铁基、有机、非水和多硫化物等体系相比，锌基体系的突出特点在于负极电位低、锌资源成本低、卤素体系溶解度高，并可获得较高容量。然而，不同锌基体系的适用场景并不相同：Zn–I和Zn–Br更强调高能量密度和卤素物种管理，Zn–Fe更偏向低成本和安全储能，Zn–Mn则需要处理锰物种可逆性和pH敏感性。

图2.水系锌基液流电池在代表性液流电池化学体系中的定位与比较。

【要点2】失效机制：从锌负极衰减到跨膜耦合退化

该综述将水系锌基液流电池的衰减归纳为全电池层面的耦合问题，而不是单一枝晶问题。负极侧，锌沉积受局部电流、基底异质性和传质限制影响，容易形成粗糙锌、苔藓状锌或枝晶；析氢、腐蚀和钝化会消耗电荷并留下死锌。膜/隔膜侧，活性物质跨膜迁移会引起自放电、氧化还原失衡和容量衰减，水迁移还会造成两侧电解液体积和浓度变化。正极侧，活性物种吸附不足和动力学缓慢会增加极化，并进一步放大浓度梯度和跨膜驱动力。高SOC或长时间充电态搁置下，这些隐藏变量会加速穿梭和锌侧副反应。

【要点3】电解液调控：从锌物种化学到死锌管理

围绕锌负极可逆性，电解液调控是最容易与现有液流电池硬件兼容的策略之一。相关研究通过添加剂、络合剂和溶剂化结构设计调节锌离子或锌酸根物种，降低局部沉积不均、析氢和腐蚀风险。近年来，该方向已从经验性添加剂筛选逐步转向机制导向设计，例如调控Zn²⁺溶剂化壳层、重构锌酸根配位环境、协同改善界面吸附与传质过程，甚至通过氧化还原介体或电解液化学实现死锌再活化。对于液流体系而言，电解液策略还需要同时考虑添加剂用量、长期消耗、跨膜迁移、粘度变化和膜溶胀等工程因素。

图3.电解液调控策略，包括添加剂/络合剂调控、溶剂化结构工程、协同电解液设计和死锌管理。

【要点4】电极结构：从均匀成核到沉积空间管理

除了调控电解液，电极结构和沉积空间管理也是提升锌负极稳定性的关键。锌在多孔电极中沉积时，局部电流分布、孔道可达性、锌离子通量和流场更新都会影响沉积位置与形貌。因此，近期研究逐渐从平面电极上的枝晶抑制转向多孔空间内的沉积管理，例如引入亲锌三维宿主、构建梯度亲锌位点、扩大可逆沉积空间，并提高深度利用率和抗堵孔能力。该类策略尤其需要在强制液流、剪切、气泡脱附、压降和长期循环条件下验证，而不能仅依赖静态或低容量条件下的形貌观察。

图4. 电极结构与沉积空间管理策略，用于提升多孔电极中的锌沉积均匀性、深度利用率和高容量运行稳定性。

【要点5】选择性传输：从穿梭抑制到电解液平衡

活性物质跨膜迁移是Zn–I、Zn–Br等体系容量衰减和自放电的重要来源。这里的“跨膜穿梭”并不是额外拔高的单独创新点，而是文章中与锌负极失效并列的第二类核心失效路径。综述指出，当前策略正从“被动阻挡”转向“物种化学–膜传输–界面稳定性”协同调控。化学侧策略可通过调控多碘/多溴物种的配位、聚集或尺寸，降低自由穿梭物种浓度；膜/隔膜策略则通过吸附、Donnan排斥、孔径筛分、电荷调控和优先离子传输提高选择性。实际设计仍需要平衡选择性、导电性、机械稳定性、抗污染性和长期电解液平衡。

图5. 膜/隔膜选择性传输策略，包括多碘物种阻隔、水迁移调控、优先离子传输和电荷调控。

总结与未来展望

本综述指出，水系锌基液流电池兼具水系安全性、液流可扩展性和锌化学的低成本高容量优势，是长时储能的重要候选体系。但真正走向实用化仍取决于多个问题能否被同时解决：锌沉积/剥离需要在高面积容量和长期液流条件下保持可逆，膜/隔膜需要兼顾高选择性和低传输阻抗，电解液体积、SOC和SOH也需要被持续监测和调控。未来研究应建立更统一的实用条件基准，重视强制液流验证、动态工况测试、泵损和压降等工程参数，并发展面向锌基体系的多参数诊断模型。进一步地，若能从半液流锌沉积走向真正可流动的锌储能库，水系锌基液流电池有望在高能量密度、长寿命和低成本电网储能中获得更明确的应用路径。

本研究得到了香港特别行政区研究资助局项目（R1004-24F）的经费支持。

作者简介

支春义  通讯作者

博士，香港大学机械工程系能源材料首席教授。支教授本科毕业于山东大学物理系，随后于中国科学院物理研究所获得凝聚态物理博士学位；此后在日本国立材料科学研究所（NIMS）从事博士后研究，并先后担任ICYS研究员、研究员和高级研究员（永久职位）。加入香港大学前，支教授曾任香港城市大学材料科学与工程系首席教授。其研究主要围绕水系电解液电池、锌离子电池、固态电池及可持续催化等方向展开，已发表论文500余篇，授权专利100余项，H-index 为151，他引超过80000次。支教授连续入选科睿唯安全球高被引科学家，为英国皇家化学会会士、香港青年科学院成员及香港研究资助局高级研究学者。

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