厦门大学梁汉锋团队Nano Letters：电毛细管效益破解水系锌电池浓差极化难题

通过空心结构正极的固有电毛细效应缓解扩散限制的浓度极化

水系锌电池凭借安全性高、成本低廉、环境友好等核心优势，成为电网级大规模储能领域的潜力候选技术。然而，其发展长期受困于电荷载体（H⁺和 Zn²⁺）固态扩散动力学迟缓、电极-电解质界面浓差极化严重等问题，导致电池容量衰减快、倍率性能不佳，极大限制了商业化应用进程。受到电毛细管效应促进电解质润湿的启发，采用中空结构有望提升正极的扩散动力学，进而缓解浓差极化，实现高容量和高倍率性能的电池。

近日，厦门大学梁汉锋副教授团队联合沙特国王科技大学朱云培博士、南非大学 Peter R. Makgwane 教授，在国际知名期刊 Nano Letters 上发表题为“Mitigating Diffusion-Limited Concentration Polarization via Intrinsic Electrocapillary Effects in Engineered Hollow Cathodes”的研究论文。该工作创新性地将电毛细效应引入正极设计，通过构建海胆状空心纳米管 MnO₂（H-MnO₂）正极极形成纳米毛细管网络，主动调控界面传质过程，破解了水系锌离子电池的浓差极化难题。

图 1 (a) SEM, (b) XRD, (c) N₂ 吸脱附曲线 (插图: 孔径分布曲线). (d) 微分电容曲线. (e) OCV曲线和 (f) Arrhenius曲线图.

图2 (a) 电毛细管现象示意图. (b) COMSOL Multiphysics模拟的Zn²⁺浓度梯度分布.

图 3 (a) 0.5 A g^-1下的GCD曲线. (b) 0.1 mV s^-1下的CV曲线. (c) 0.1A g^-1电池循环性能. (d) 0.5 A g^-1下的长循环性能. (e)倍率性能.

图 4 (a) GITT曲线和扩散系数分布. (b) 双电层电容评估. (c) Nyquist图. (d) ω-1/2~Z‘线性关系图. (e)v1/2~Jpeak线性关系图.

要点一：创新结构设计，构筑纳米毛细管网络

设计合成了海胆状空心纳米管 MnO₂（H-MnO₂）阴极材料，与传统实心纳米棒 MnO₂（S-MnO₂）形成对照。H-MnO₂具有超大比表面积（81.95 m2 g⁻¹）和丰富孔容（0.3023 cm3 g⁻¹），其空心纳米管结构不仅缩短了离子扩散路径，更构建了高效的纳米毛细管网络，为电毛细效应的发挥提供了结构基础，从设计源头突破传统材料的传质局限。

要点二：电毛细效应赋能，主动调控界面传质

首次将电毛细效应应用于水系锌离子电池正极设计，通过工作电压动态降低电解液接触角，显著提升界面润湿性。结合毛细管作用，加速电解液渗透至活性材料核心，实现反应界面的快速离子补充，有效抑制浓差极化。实验证实，H-MnO₂的离子吸附能垒（48.6 kJ mol⁻¹）显著低于 S-MnO₂（59.0 kJ mol⁻¹），Zn²⁺扩散系数提升 1-2 个数量级，从根本上强化了反应动力学。

要点三：多维传质强化，显著提升电化学性能

基于 H- MnO₂正极的锌离子电池展现出卓越的综合电化学性能：在 0.1 A g⁻¹ 电流密度下，可逆容量高达 407 mAh g⁻¹，远超 S- MnO₂的 271 mAh g⁻¹；在 2.0 A g⁻¹高倍率条件下，仍保持 180 mAh g⁻1的优异容量；在 0.5 A g⁻¹ 循环 350 圈后，容量稳定在 200 mAh g⁻¹以上，库仑效率接近 100%，且具有出色的可逆性，高倍率循环后容量可快速恢复。

要点四：前瞻

本研究确立了电毛细效应调控作为电化学储能的全新设计原则，实现了从被动结构修饰到主动界面管理的范式转变。未来研究可进一步拓展该策略至其他电极材料体系，结合原位表征技术（如原位红外、冷冻电镜）深入探究界面动态演化机制，同时优化材料规模化制备工艺。此外，温度、电解液组成等因素对电毛细效应的影响仍需系统研究，有望为下一代高功率、长寿命储能器件的开发提供更全面的理论支撑与技术指导。

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.5c05008

朱运培：沙特阿卜杜拉国王科技大学研究科学家，国际先进材料学会会士，Frontiers in Nanotechnology副主编。研究领域包括新型能源材料开发、安全高效和低成本储能器件、以及开发具有高化学分辨率和高时空分辨率先进原位表征技术。目前，已在Sci. Adv., Adv. Mater., Angew. Chem., J. Am. Chem. Soc., Energy Environ. Sci., Nano Lett., Adv. Energy Mater.等学术期刊发表论文60余篇，引用9300余次，H因子47。

厦门大学材料电化学与表面工程（MESE）实验室研究领域涵盖纳米材料、功能涂层和电化学。我们专注于纳米材料和涂层的大规模合成和加工的新方法开发，探索结构-性能之间的关系，以及将这些具备特定结构的功能材料应用于新能源器件、医疗植入产品、光学器件及半导体芯片等领域。

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