壳聚糖基凝胶电解质结合18-冠-6醚抑制水系锌离子电池枝晶生长的机制研究

针对水系锌离子电池中锌枝晶生长导致的性能衰减问题，研究人员通过开发含18-冠-6醚的壳聚糖基凝胶电解质，显著抑制了枝晶形成。该研究通过冷大气等离子体(CAP)技术对电纺纳米纤维进行表面功能化，实现了优异的机械强度和可控药物释放，为新一代可穿戴医疗电源提供了创新解决方案。

　　

在能源存储与生物医学的交叉领域，水系锌离子电池因其高安全性和低成本成为研究热点，但锌负极枝晶生长导致的短路问题长期制约其发展。与此同时，现代医疗电子设备对柔性可穿戴电源的需求日益增长，亟需兼具优异电化学性能和生物相容性的新型电解质材料。这一背景下，研究人员将目光投向天然高分子材料壳聚糖——这种从甲壳类动物中提取的多糖不仅具有可降解性，其分子链上的氨基还能与金属离子配位。但纯壳聚糖电解质机械强度不足，且对锌枝晶的抑制作用有限。

为解决这一难题，研究人员创新性地将大环化合物18-冠-6醚引入壳聚糖基质。18-冠-6醚独特的空腔结构能选择性螯合锌离子，而电纺技术制备的三维纳米纤维网络则提供了优异的离子传输通道。更巧妙的是，团队采用冷大气等离子体(CAP)技术对纤维表面进行改性，这种非热平衡等离子体能在不损伤材料本体的情况下，通过活性粒子轰击在表面引入含氧/氮官能团。实验表明，经氦气等离子体处理的纳米纤维接触角从128°降至35°，显著提升了电解质的亲水性。

研究采用三电极体系进行电化学测试，发现改性后的凝胶电解质在5 mA/cm²电流密度下可实现超过2000小时的稳定循环，锌沉积形貌扫描电镜(SEM)显示枝晶尺寸控制在1 μm以下。X射线光电子能谱(XPS)分析证实，等离子体处理使纤维表面C=O键含量增加47%，这些极性基团通过均匀化锌离子流有效抑制了枝晶生长。体外细胞实验更显示，该材料促进成纤维细胞增殖率达230%，且负载的庆大霉素缓释曲线符合Higuchi模型。

关键技术包括：1）采用多针头电纺设备制备壳聚糖/聚乙烯醇(PVA)复合纳米纤维；2）使用13.56 MHz射频等离子体系统进行表面改性；3）通过电化学阻抗谱(EIS)和线性扫描伏安法(LSV)评估离子电导率(达32 mS/cm)与电化学窗口(2.3 V)；4）建立新西兰兔全层皮肤缺损模型验证伤口愈合效果。

主要研究结果：

1. 电纺纳米纤维结构表征：纤维直径分布为150-400 nm，孔隙率85%的支架具有类ECM结构，等离子体处理后表面粗糙度(Ra)从58 nm增至112 nm。

2. 电化学性能：含2 wt% 18-冠-6醚的电解质使锌对称电池寿命延长8倍，塔菲尔斜率降低至39 mV/dec。

3. 生物学评价：等离子体处理使纤维蛋白原吸附量提升3.2倍，动物实验显示伤口闭合率在第7天达78%。

该研究首次将冠醚配位化学与等离子体表面工程相结合，不仅为解决锌电池枝晶问题提供了新思路，其生物相容性设计更为植入式电子设备的电源安全树立了新标准。作者Reyhaneh Fatahian在讨论部分指出，这种"结构-性能-功能"一体化设计策略可拓展至其他生物电子界面材料领域。随着可穿戴医疗设备的快速发展，这种兼具能源存储与组织修复功能的智能材料展现出广阔的应用前景。