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DOI：10.1016/j.carbon.2026.121889
1. 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 C=O 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 C=O 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 C=O 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、C=O 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、C=O 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 batteries；DOI：10.1016/j.carbon.2026.121889.
