机械强化与水分子捕获功能化隔膜：亲水表面工程提升锌离子电池长期稳定性

针对锌离子电池(ZIBs)中玻璃纤维(GF)隔膜机械强度不足和电解液水分子诱发副反应等问题，韩国东国大学团队通过PVDF涂层增强结构稳定性，结合等离子体处理引入亲水基团(-OH/-COOH)，实现水分子氢键捕获。改性隔膜(FP@GF)使MnO2||Zn全电池在350次循环后容量保持率达98%，30天静置后容量为对照组的2倍(101 mAh g?1@2.0 C)，为水系电池界面工程提供新思路。

　　

在全球推进碳中和的背景下，水系锌离子电池(ZIBs)因其安全性高、成本低廉和环境友好等优势，被视为下一代规模储能的有力竞争者。然而，锌负极的枝晶生长、副反应以及传统玻璃纤维(GF)隔膜的结构变形等问题，严重制约了其实际应用。更棘手的是，电解液中的水分子既是Zn²⁺离子的传输载体([Zn(H₂O)₆]²⁺)，又会引发析氢反应和腐蚀性副产物(如Zn₄SO₄(OH)₆·xH₂O)的生成，导致电池性能快速衰减。

针对这一系列挑战，韩国东国大学(Department of Energy and Materials Engineering, Dongguk University-Seoul)的Seoyeong Kim和Geon?Hyoung An团队在《Journal of Energy Chemistry》发表研究，提出了一种兼具机械强化与水分子捕获功能的隔膜改性策略。研究人员通过真空过滤在GF表面均匀涂覆聚偏氟乙烯(PVDF)增强结构稳定性，再经等离子体处理引入亲水官能团，成功解决了传统GF隔膜纤维脱落、离子传输不均及水诱导副反应等关键问题。

研究采用真空过滤涂覆、等离子体表面改性、电化学性能测试等关键技术方法。通过对比原始GF、PVDF涂覆隔膜(P@GF)和等离子处理隔膜(FP@GF)的理化特性与电化学行为，系统评估了改性效果。

结果与讨论

1. 材料设计与表征：PVDF涂层通过[–CH₂–CF₂–]_n链段间的相互作用增强GF机械强度，等离子处理在PVDF表面生成–OH/–COOH基团，接触角从124°降至0°，实现超亲水性。

2. 电化学性能：使用FP@GF的MnO₂||Zn全电池在350次循环后容量保持率高达98%，远优于原始GF(72%)。30天静置后，其2.0 C倍率下容量达101 mAh g^?1，为对照组的2倍。

3. 界面稳定性：X射线光电子能谱(XPS)和扫描电镜(SEM)证实FP@GF有效抑制了ZHS副产物生成，锌负极表面无纤维附着，界面电阻降低60%。

4. 水分子调控机制：亲水基团通过氢键捕获[Zn(H₂O)₆]²⁺中的自由水，减少析氢反应，同步优化Zn²⁺脱溶剂化过程。

结论与意义
该研究通过"机械加固-表面功能化"双效策略，首次实现GF隔膜在水系ZIBs中的长效稳定应用。PVDF涂层解决纤维松散问题，等离子体诱导的亲水界面不仅提升电解液浸润性，更通过水分子捕获效应打破"高导电性-高副反应"的悖论。这种可规模化生产的隔膜改性方案，为设计高稳定性水系电池提供了新范式，尤其适用于需要长期储能的可再生能源系统。研究成果同时启示：调控材料表面化学环境可能是解决其他金属离子电池界面问题的通用路径。