研究背景
随着能源需求的不断增长，安全且高效的储能技术愈发受到关注。水系电池因其安全性相较于传统锂离子电池更具优势，已存在200多年，但如何提升其能量密度和循环寿命仍然是亟待解决的问题。水系电池的关键在于选择合适的电极材料，锌/锌离子与锰/二氧化锰的组合展现出了良好的电化学性能，但其沉积/剥离的可逆性不足，以及锰的低导电性和锌的枝晶生长等问题，限制了其应用。为此，研究者们开始探索新方法以提高电池性能。近年来，表面活性剂在材料合成中的应用引起了科学家的广泛关注，特别是在软模板法中，它们能赋予材料特定的结构。尽管表面活性剂已被用于改善金属的耐腐蚀性和沉积行为，但液晶在电池中的应用仍然是一个新兴领域。研究者们提出，通过液晶相的原位形成，可以在水系电池中提供一种软模板，从而改善沉积行为和电池性能。有鉴于此，美国斯坦福大学崔屹院士团队在Nature Energy期刊上发表了题为“In situ formation of liquid crystal interphase in electrolytes with soft templating effects for aqueous dual-electrode-free batteries”的最新论文。本研究提出了一种新颖的液晶相形成策略，通过添加微量非离子表面活性剂，成功地在锌/二氧化锰电池中建立了液晶界面。这种液晶相不仅改善了锌和二氧化锰的沉积结构，还增强了电化学循环稳定性，最终实现了高能量密度（高达213 Wh/kg）和长循环寿命（950个循环后保留80%容量）的双电极无电池设计。研究表明，液晶相能够提供一个灵活且动态的界面，促进离子传输并有效控制晶体取向，从而解决了传统电池设计中的许多挑战。通过这一创新方法，本研究为水系电池的发展提供了新的思路与技术支持。
研究亮点
（1）实验首次通过引入微量非离子表面活性剂，实现了液晶相的原位形成，从而成功调控锌和二氧化锰的沉积方向，提升了电化学循环稳定性。 （2）实验通过软物质表征技术揭示了从表面活性剂分子双层到梯度液晶相的动态转换过程，该液晶相有效引导锌和二氧化锰的模板生长，显著增强了镀层/剥离的可逆性，延长了电池循环寿命。 （3）研究显示，使用0.1 mM表面活性剂的锌-二氧化锰双电极无电池（DEFB）实现了高达213 Wh/kg的能量密度，并在约950个循环后保留了80%的容量。（4）液晶相的形成不仅提供了灵活的界面，提升了离子传输效率，还优化了晶体取向，超越了传统固体涂层的性能。
图文解读
图1：表面活性剂添加剂通过原位形成的液晶相界面促进Zn/MnO2沉积的设计框架。图4: 液晶相界面策略用于MnO2沉积和DEFB的电化学性能。
结论展望
本研究展示了液晶界面在水系电池中的创新应用，提供了新的思路以解决锌/二氧化锰沉积和剥离过程中的可逆性不足问题。通过引入微量非离子表面活性剂，原位形成的液晶相不仅提升了沉积的晶体取向，还改善了电池的电化学循环稳定性。这一发现启示我们，液晶材料作为电池的界面层，能够有效促进离子传输，降低界面阻力，从而显著提高电池的能量密度和循环寿命。此外，液晶相的动态特性使其在电池制造过程中的应用变得更加灵活和高效，推动了可扩展电池技术的发展。研究中强调的低成本和简便的制造工艺，进一步表明液晶界面在能源存储领域的广泛潜力。这为未来电池材料的设计提供了新的方向，尤其是在高能量密度和长循环寿命的需求下，开发具有自组装特性的功能材料，将是推动下一代电池技术的重要策略。通过借鉴软物质科学中的新概念，电池技术有望实现质的飞跃，为可再生能源的应用提供强有力的支持。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
