研究背景
隨著能源需求的不斷增長，安全且高效的儲能技術愈發受到關注。水系電池因其安全性相較于傳統鋰離子電池更具優勢，已存在200多年，但如何提升其能量密度和循環壽命仍然是亟待解決的問題。水系電池的關鍵在于選擇合適的電極材料，鋅/鋅離子與錳/二氧化錳的組合展現出了良好的電化學性能，但其沉積/剝離的可逆性不足，以及錳的低導電性和鋅的枝晶生長等問題，限制了其應用。為此，研究者們開始探索新方法以提高電池性能。近年來，表面活性劑在材料合成中的應用引起了科學家的廣泛關注，特別是在軟模板法中，它們能賦予材料特定的結構。盡管表面活性劑已被用于改善金屬的耐腐蝕性和沉積行為，但液晶在電池中的應用仍然是一個新興領域。研究者們提出，通過液晶相的原位形成，可以在水系電池中提供一種軟模板，從而改善沉積行為和電池性能。有鑒于此，美國斯坦福大學崔屹院士團隊在Nature Energy期刊上發表了題為“In situ formation of liquid crystal interphase in electrolytes with soft templating effects for aqueous dual-electrode-free batteries”的最新論文。本研究提出了一種新穎的液晶相形成策略，通過添加微量非離子表面活性劑，成功地在鋅/二氧化錳電池中建立了液晶界面。這種液晶相不僅改善了鋅和二氧化錳的沉積結構，還增強了電化學循環穩定性，最終實現了高能量密度（高達213 Wh/kg）和長循環壽命（950個循環后保留80%容量）的雙電極無電池設計。研究表明，液晶相能夠提供一個靈活且動態的界面，促進離子傳輸并有效控制晶體取向，從而解決了傳統電池設計中的許多挑戰。通過這一創新方法，本研究為水系電池的發展提供了新的思路與技術支持。
研究亮點
（1）實驗首次通過引入微量非離子表面活性劑，實現了液晶相的原位形成，從而成功調控鋅和二氧化錳的沉積方向，提升了電化學循環穩定性。 （2）實驗通過軟物質表征技術揭示了從表面活性劑分子雙層到梯度液晶相的動態轉換過程，該液晶相有效引導鋅和二氧化錳的模板生長，顯著增強了鍍層/剝離的可逆性，延長了電池循環壽命。 （3）研究顯示，使用0.1 mM表面活性劑的鋅-二氧化錳雙電極無電池（DEFB）實現了高達213 Wh/kg的能量密度，并在約950個循環后保留了80%的容量。（4）液晶相的形成不僅提供了靈活的界面，提升了離子傳輸效率，還優化了晶體取向，超越了傳統固體涂層的性能。
圖文解讀
圖1：表面活性劑添加劑通過原位形成的液晶相界面促進Zn/MnO2沉積的設計框架。圖4: 液晶相界面策略用于MnO2沉積和DEFB的電化學性能。
結論展望
本研究展示了液晶界面在水系電池中的創新應用，提供了新的思路以解決鋅/二氧化錳沉積和剝離過程中的可逆性不足問題。通過引入微量非離子表面活性劑，原位形成的液晶相不僅提升了沉積的晶體取向，還改善了電池的電化學循環穩定性。這一發現啟示我們，液晶材料作為電池的界面層，能夠有效促進離子傳輸，降低界面阻力，從而顯著提高電池的能量密度和循環壽命。此外，液晶相的動態特性使其在電池制造過程中的應用變得更加靈活和高效，推動了可擴展電池技術的發展。研究中強調的低成本和簡便的制造工藝，進一步表明液晶界面在能源存儲領域的廣泛潛力。這為未來電池材料的設計提供了新的方向，尤其是在高能量密度和長循環壽命的需求下，開發具有自組裝特性的功能材料，將是推動下一代電池技術的重要策略。通過借鑒軟物質科學中的新概念，電池技術有望實現質的飛躍，為可再生能源的應用提供強有力的支持。Li, Y., Zheng, X., Carlson, E.Z. et al. In situ formation of liquid crystal interphase in electrolytes with soft templating effects for aqueous dual-electrode-free batteries. Nat Energy (2024). https://doi.org/10.1038/s41560-024-01638-z
