新型防水防污纳米薄膜助力锂电池升级

这项研究介绍了一种新型的纳米级聚合物薄膜——梯度两性离子聚合物（G-ZWP）界面层，它能显著提升锂金属电池及其他金属电池的性能和稳定性。在充电电池中，电极表面会自然形成一层被称为“固态电解质界面”（SEI）的薄膜，这层膜控制着离子、分子和电子的传输，对电池寿命至关重要。然而，传统SEI膜由电解液分解产生，结构不均且不稳定，容易导致电池提前失效。为解决这一问题，研究人员设计了一种人工合成的、厚度仅约200纳米的G-ZWP薄膜，采用一种名为“引发化学气相沉积”（iCVD）的干法工艺制备，无需溶剂，适合大规模生产，易于集成到现有电池生产线中。

G-ZWP薄膜的关键在于其“梯度结构”：靠近电解液的顶层富含两性离子基团，能高效传导锂离子并促进其均匀沉积；底层则是化学性质稳定的交联聚合物，可阻止溶剂渗透并抑制副反应。这种结构有效防止了锂枝晶（类似树状的有害生长）的形成，使锂金属以致密、平整的方式沉积，从而大幅提高电池的安全性和循环寿命。实验显示，在铜基底上涂覆G-ZWP后，电池可在1毫安/平方厘米的电流密度下稳定运行超过2000小时（约83天），远超未处理的基底。

研究还优化了聚合物的化学结构，发现基于丙烯酰胺的A型聚合物比其他类型更耐电化学还原。经过气相衍生化处理后，形成的G-ZWP薄膜不仅电阻低、离子传导快，还能改变电解液中锂离子的溶剂化结构，促进形成富含无机物的次级SEI层（如氟化锂），这种结构更有利于稳定循环。测试表明，使用G-ZWP的电池库仑效率高达99%，意味着几乎所有的锂都能被有效利用和回收。

更重要的是，这种技术在实际条件下表现出色。在“无负极”锂电池（即初始不含锂金属）中，G-ZWP帮助电池在苛刻条件下稳定循环超过180次；在锂-干空气电池（一种前沿技术）中，也实现了长达275小时的稳定运行。此外，该薄膜同样适用于钠和锌金属电池，证明了其广泛的应用潜力。由于其制备工艺兼容卷对卷连续生产，未来有望在太阳能电池、催化等领域推广应用。总的来说，这项研究为高性能、长寿命电池的开发提供了一条切实可行的新路径。