通讯作者宋忠孝、熊仕昭通讯单位西安交通大学、昆明理工大学论文DOI10.1016/j.carbon.2026.1218891. 背景全钒液流电池VRFB具有安全性高、寿命长和容量可独立设计等优势是面向大规模储能的重要技术路线。石墨毡GF因成本低、耐酸性好和导电性优良而被广泛用作电极但其天然疏水、活性位点不足、纤维网络传质阻力大导致钒离子氧化还原反应极化严重尤其限制高电流密度运行。传统热氧化或湿化学改性通常耗时较长且容易引发体相导电骨架损伤或杂质残留因此如何在不牺牲主体导电性的前提下精准调控石墨毡表面孔结构和含氧活性位点是提升 VRFB 高功率性能的关键。2. 论文概要2026年7月13日西安交通大学宋忠孝、昆明理工大学熊仕昭团队在期刊《Carbon》发表研究提出一种超快非平衡焦耳加热策略将清洗后的商业石墨毡夹持在铜电极之间置于 10-3 Pa 真空石英反应腔内利用 30 V/200 A 可编程直流电源使样品以 100 °C s-1 的速率升至 700、900 或 1100 °C并分别保温 30、60 或 90 s。最优 900 °C/60 s 处理在纤维表面构建出“表面无序、体相有序”的梯度异质结构表层形成微孔-介孔层级孔道并富集 CO 活性基团内部石墨导电骨架则得到保留。由此钒氧化还原反应峰间距降至 777.2 mV表观扩散系数提升至原始 GF 的 2.3 倍组装 VRFB 单电池后900-60-JHGF 在 200 mA cm-2 下能量效率达 78.8%在 300 mA cm-2 下仍保持 71.5%200 圈循环容量衰减率仅 0.01%/cycle峰值功率密度达到 516.5 mW cm-2。3. 图文解读图文摘要 焦耳加热驱动梯度异质结构用于高功率 VRFB图文摘要概括了全文逻辑秒级焦耳加热/冷却在石墨毡表面诱导孔结构和化学环境重构形成表面高活性、体相高导电的梯度异质结构从而同时提升电荷转移、传质和高电流密度下的能量效率。图 1 超快非平衡焦耳加热制备 JHGF 的流程示意图 1 展示了工艺核心石墨毡直接作为电阻发热体被铜电极夹持后在真空腔内通入大电流快速升至 700/900/1100 °C 后断电冷却这种秒级热冲击将反应局限在纤维表面避免传统长时间热处理对整体导电骨架的过度氧化和结构破坏。图 2 不同温度和时间下的表面形貌演化图 2 通过 SEM 展示了热冲击参数对孔结构的调控窗口700 °C 下仅出现轻微粗糙化900 °C/30 s 开始形成均匀微孔900 °C/60 s 得到开放互连的微孔-介孔层级网络而 900 °C/90 s 出现孔道融合1100 °C 则引发不可控烧蚀和蜂窝状粗孔说明 900 °C/60 s 是活性位点暴露和骨架完整性之间的最佳平衡点。图 3 晶体结构、缺陷和孔结构协同演化图 3 证明焦耳加热并未严重破坏石墨化主体结构XRD 仍保持典型石墨碳衍射峰Raman 显示 900 °C/60 s 样品表面缺陷适度增加且快速冷却冻结了高温诱导缺陷氮吸附结果显示其 BET 比表面积升至 12.17 m2 g-1约为原始 GF 的 3.5 倍并形成约 1.2 nm 微孔和约 3 nm 介孔组成的层级孔道。图 4 XPS 揭示表面含氧官能团的选择性调控图 4 表明随处理温度升高表面氧含量由原始 GF 的 10.8% 降至 1100-60-JHGF 的 3.5%但不同氧官能团并非同步消失900-60-JHGF 保留了较高比例的极性 C-O同时将 CO 比例优化至 17.3%兼顾了钒离子反应活性和电解液润湿性而 1100 °C 过度脱氧虽提高 CO 相对比例却导致总氧含量不足和疏水性恢复。图 5 电化学可逆性、润湿性和界面动力学图 5 显示 900-60-JHGF 在 VO2/VO2 反应中具有约 777-778 mV 的最小峰间距和接近 1 的峰电流比水接触角降至 76.4°双电层电容提升至 17.7 μF电荷转移电阻降至 8.9 Ω这些结果共同说明层级孔道、CO 活性位点和改善的润湿性协同加速了钒离子传质与界面电子转移。图 6 VRFB 单电池倍率、循环和功率性能图 6 将材料优势落实到器件层面900-60-JHGF 组装的单电池在 200 mA cm-2 下能量效率达到 78.8%在 300 mA cm-2 下仍保持 71.5%200 圈循环中单圈容量衰减率仅 0.01%库伦效率保持在 98% 以上峰值功率密度达到 516.5 mW cm-2体现出高倍率与稳定性的同步提升。4. 总结展望这项工作展示了焦耳加热在碳电极精准改性中的价值它不是简单“烧蚀造孔”而是利用秒级非平衡热过程将氧化刻蚀限制在纤维表层构建表面活性与体相导电解耦的梯度结构。900 °C/60 s 的处理窗口同时优化了微/介孔传质通道、CO 活性位点和电解液润湿性使石墨毡在高电流密度 VRFB 中获得更高能量效率、功率密度和循环稳定性。面向应用该方法具备无水、无催化剂、处理时间短和可连续化放大的潜力后续可进一步围绕大面积均匀加热、卷对卷电极处理、长期酸性氧化环境下的结构保持以及不同碳基储能电极的适配性展开验证。文献信息Yang Yang 1, Yahong Nie 1, Xieyu Xu 1, Zhongxiao Song 1 2, Shizhao Xiong 3. Precision pore engineering of graphite felt via ultrafast non-equilibrium Joule heating for vanadium redox flow batteriesDOI10.1016/j.carbon.2026.121889.
