表面涂覆技术通过对材料表面组成、微结构及界面相互作用的调控，可以在不改变基体主体性能的前提下，赋予材料表面导电、耐磨、导热等新的表面功能。近年来，具有多层次结构和多功能响应特征的类皮肤层涂覆加工逐渐受到关注，并在能源、航空航天和生物医用等领域展现出广阔应用前景。尤其在锂离子电池领域，表面功能涂层具有迫切需求。比如在聚合物基底表面构筑金属导电涂层即制备轻量化复合集流体，已成为提升锂离子电池能量密度的重要手段。目前，复合集流体的金属导电皮肤涂层主要通过磁控溅射、真空蒸发和化学镀等方法实现，但这些方法往往依赖较为苛刻的加工环境、高昂的设备成本或复杂的加工流程。液态金属（LM）因具有良好的流动性和较高的导电导热特性，且其表面在空气中可快速形成具有一定粘附特性的氧化层，已成为高分子材料表面金属化的重要原材料，因此探索LM在高分子材料表面的涂覆加工与改性具有重要学术价值和现实意义。然而，由于LM表面张力高易收缩、几乎无应力应变抵抗能力等固有特性，在高分子基底上的可控微纳涂覆加工极具挑战，并同时难以兼顾涂层力学、耐磨性和界面稳定性等在实际应用中极其关键的性能要求。
针对上述难题，王宇/杨伟团队在“微粘控”创新思路下，发现了泡棉擦涂可以强化LM界面粘附和润湿的现象（简称强迫润湿现象），并由此提出了表面原位复合策略（surface in situ compositing, SISC），巧妙利用泡棉擦涂过程中的剧烈摩擦、挤压和强剪切作用，实现LM-Cu在聚合物表面的强迫润湿、与多层石墨烯（MLG）等二维材料原位复合以及原位固化反应，最终成功构筑出兼具导电性、耐磨性和界面稳定性的类皮肤材料功能涂层。该工作以《Surface In-Situ Compositing of Reactive Liquid-Metal Anchored 2D Nanomaterial Skins for Active Composite Current Collectors》为题，发表于Advanced Materials。
图1 基于泡棉擦涂综合效应，实现材料功能皮肤的表面原位复合成型（SISC）技术原理图
如图1所示，研究首先对比了LM在传统刮涂和刷涂条件下的表面润湿铺展行为。由于LM本身表面张力较高，在常规涂覆方式下容易收缩为离散液滴或条带，难以在聚合物表面形成均匀、连续的超薄导电层。针对这一问题，团队提出了基于泡棉擦涂的表面原位复合成型策略：在泡棉的限域、挤压和强剪切共同作用下，LM可在基底表面实现受迫润湿，并形成微米甚至纳米尺度的薄层涂覆。进一步地，通过引入MLG等二维材料以及铜纳米颗粒改性液态金属（Cu@LM），构筑具有有序层状结构和机械互锁界面的复合功能皮肤。该结果表明，泡棉摩擦不仅是一种简便的涂覆方式，也可作为实现LM表面原位复合与功能皮肤构筑的新型加工手段。
图2 基于泡棉擦涂在不同高分子基底实现不同功能皮肤涂层的构筑
如图2所示，泡棉擦涂并非只适用于单一体系，而是表现出较好的普适拓展能力。通过调控擦涂压力和二维材料类型，可实现复合皮肤厚度与组成的可控构筑；同时，该方法可应用于多种聚合物基底，并拓展到氮化硼和二硫化钼等不同二维材料体系。进一步测试表明，所得Cu@LM-MLG皮肤在500次弯折后电阻变化率仍低于1%，且在磨损条件下仍保持较好导电稳定性，说明该策略不仅具有普适性，也具备较好的结构耐受性。
图3 基于功能皮肤涂层的新型复合集流体及其在电池中的应用验证
如图3所示，基于Cu@LM-MLG功能皮肤构筑的复合集流体在电化学性能和安全性方面均表现出独特的优势。与传统铜箔体系相比，采用该复合集流体的石墨电极在倍率性能和循环稳定性上更优，且由于使用了具有一定电化学活性的液态金属和石墨烯，从而成为能提供额外容量的活性集流体。它制备的石墨负极在0.5 C循环200次后仍保持330.7 mAh·g⁻¹的可逆放电比容量和95.7%的容量保持率。更重要的是，在针刺测试中，传统铜箔电池迅速短路失效并伴随明显温升，而采用Cu@LM-MLG复合集流体的电池仍可维持稳定输出且无明显温升，表明该功能皮肤在提升电池能量密度的同时，也具有改善安全性能的潜力。不仅如此，该功能皮肤涂层还具有优秀的电热转换、光热转换等特性，在电池热管理、光能捕获等领域具有应用潜力。
总而言之，本工作巧妙利用多孔泡棉的摩擦综合效应（强迫润湿、摩擦和剪切效应），并充分结合液态金属、铜粉和二维纳米片层材料的组成优化设计，实现了高分子基底表面的功能化涂层的低成本无溶剂加工制备。该策略不仅简单易规模化，而且具有极强的设计灵活性和拓展性，为材料表界面加工改性与功能化提供了有益启发。
该工作得到了国家自然科学基金（52473248 and 52203123）以及先进高分子材料全国重点实验室探索项目的支持。
文章详情：Yifei Liu, Wenrui Cai, Yichao Li, Lei Jing, Jiarui Yang, Zheng Cao, Yu Chen,Chengye Ma, Shuo Fu, Lanxiang Feng, Yanlu Zhang, Xuewei Fu, Wei Yangand Yu Wang*.SurfaceIn-SituCompositing of Reactive Liquid-Metal Anchored 2D Nanomaterial Skins for Active Composite Current Collectors[J].Advanced Materials2026,e72983.
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撰稿：刘逸非
编辑：杨燕玲
审核：李乙文
