研究背景
隨著能源需求的不斷增長(zhǎng)，安全且高效的儲(chǔ)能技術(shù)愈發(fā)受到關(guān)注。水系電池因其安全性相較于傳統(tǒng)鋰離子電池更具優(yōu)勢(shì)，已存在200多年，但如何提升其能量密度和循環(huán)壽命仍然是亟待解決的問(wèn)題。水系電池的關(guān)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(xiàn)出了良好的電化學(xué)性能，但其沉積/剝離的可逆性不足，以及錳的低導(dǎo)電性和鋅的枝晶生長(zhǎng)等問(wèn)題，限制了其應(yīng)用。為此，研究者們開(kāi)始探索新方法以提高電池性能。近年來(lái)，表面活性劑在材料合成中的應(yīng)用引起了科學(xué)家的廣泛關(guān)注，特別是在軟模板法中，它們能賦予材料特定的結(jié)構(gòu)。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(yīng)用仍然是一個(gè)新興領(lǐng)域。研究者們提出，通過(guò)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(guó)斯坦福大學(xué)崔屹院士團(tuán)隊(duì)在Nature Energy期刊上發(fā)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(guò)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(jié)構(gòu)，還增強(qiáng)了電化學(xué)循環(huán)穩(wěn)定性，最終實(shí)現(xiàn)了高能量密度（高達(dá)213 Wh/kg）和長(zhǎng)循環(huán)壽命（950個(gè)循環(huán)后保留80%容量）的雙電極無(wú)電池設(shè)計(jì)。研究表明，液晶相能夠提供一個(gè)靈活且動(dòng)態(tài)的界面，促進(jìn)離子傳輸并有效控制晶體取向，從而解決了傳統(tǒng)電池設(shè)計(jì)中的許多挑戰(zhàn)。通過(guò)這一創(chuàng)新方法，本研究為水系電池的發(fā)展提供了新的思路與技術(shù)支持。
研究亮點(diǎn)
（1）實(shí)驗(yàn)首次通過(guò)引入微量非離子表面活性劑，實(shí)現(xiàn)了液晶相的原位形成，從而成功調(diào)控鋅和二氧化錳的沉積方向，提升了電化學(xué)循環(huán)穩(wěn)定性。 （2）實(shí)驗(yàn)通過(guò)軟物質(zhì)表征技術(shù)揭示了從表面活性劑分子雙層到梯度液晶相的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程，該液晶相有效引導(dǎo)鋅和二氧化錳的模板生長(zhǎng)，顯著增強(qiáng)了鍍層/剝離的可逆性，延長(zhǎng)了電池循環(huán)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(wú)電池（DEFB）實(shí)現(xiàn)了高達(dá)213 Wh/kg的能量密度，并在約950個(gè)循環(huán)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(yōu)化了晶體取向，超越了傳統(tǒng)固體涂層的性能。
圖文解讀
圖1：表面活性劑添加劑通過(guò)原位形成的液晶相界面促進(jìn)Zn/MnO2沉積的設(shè)計(jì)框架。圖2：原位沉積Zn金屬的沉積形態(tài)和晶體結(jié)構(gòu)。圖4: 液晶相界面策略用于MnO2沉積和DEFB的電化學(xué)性能。
結(jié)論展望
本研究展示了液晶界面在水系電池中的創(chuàng)新應(yīng)用，提供了新的思路以解決鋅/二氧化錳沉積和剝離過(guò)程中的可逆性不足問(wèn)題。通過(guò)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(xué)循環(huán)穩(wěn)定性。這一發(fā)現(xiàn)啟示我們，液晶材料作為電池的界面層，能夠有效促進(jìn)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(huán)壽命。此外，液晶相的動(dòng)態(tài)特性使其在電池制造過(guò)程中的應(yīng)用變得更加靈活和高效，推動(dòng)了可擴(kuò)展電池技術(shù)的發(fā)展。研究中強(qiáng)調(diào)的低成本和簡(jiǎn)便的制造工藝，進(jìn)一步表明液晶界面在能源存儲(chǔ)領(lǐng)域的廣泛潛力。這為未來(lái)電池材料的設(shè)計(jì)提供了新的方向，尤其是在高能量密度和長(zhǎng)循環(huán)壽命的需求下，開(kāi)發(fā)具有自組裝特性的功能材料，將是推動(dòng)下一代電池技術(shù)的重要策略。通過(guò)借鑒軟物質(zhì)科學(xué)中的新概念，電池技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍，為可再生能源的應(yīng)用提供強(qiáng)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
