斯坦福大学崔屹最新Nature Energy: 发现一类全新的界面相结构！

崔屹院士团队在《Nature Energy》上发表了一项突破性的研究，展示了液晶中间相原位自组装在水系双无极电池中的应用。在电池领域，Zn/MnO₂电池以其高可持续性以及低成本而备受关注，然而，传统设计中嵌入以及沉积反应的复合反应导致其能量密度并不高。为了克服这一难题，研究团队提出了一种全新的无电极设计，通过引入初始无负极、无正极的配置，能量密度得以进一步提高至200 Wh kg⁻¹以上，但由于Zn/MnO₂沉积和剥离的可逆性较差，循环寿命问题仍然困扰着研究人员。

借鉴材料合成中的软模板化策略，斯坦福大学李钰琦博士在崔屹院士的指导下，通过在电解质中加入微量的表面活性剂，成功设计了一个原位形成的梯度液晶中间相。这种液晶中间相不仅能够在电极表面自组装形成，还通过诱导六方晶系Zn和MnO₂沿c轴优选取向沉积，极大地提升了电池的沉积和剥离的可逆性。这一创新设计使得锌锰双无极电池的循环寿命得到了显著延长，在950次循环后仍然能够保持80%的容量。这一突破性的发现，不仅仅为Zn/MnO₂电池提供了解决方案，还为其他基于晶体沉积的电池系统带来了全新的调控思路。

液晶中间相的引入为电池界面提供了灵活的软模板，这种结构在电场作用下能够动态调控电极材料的沉积方式，从而大幅度提高电池的循环性能。尽管表面活性剂在金属防腐领域已经有广泛应用，但在电池系统中通过电解质中的微量表面活性剂原位自组装为液晶中间相的机制，此前并未得到深入探讨。崔屹院士团队通过这一突破性方法，不仅为传统电池的设计带来了新的思路，也为未来水系电池的高效储能技术提供了新的方向。

这一发现意味着水系电池在提高能量密度和延长循环寿命的道路上迈出了重要一步。这项研究展示了液晶界面在电池材料调控中的巨大潜力，不仅能够解决现有电池在高能量密度下的寿命问题，还为未来开发基于不同材料体系的储能设备提供了全新的可能性。

图1 | 通过在电解液中添加痕量表面活性剂原位形成的液晶中间相界面促进Zn/MnO₂沉积的设计框架。

图2 | 原位沉积金属锌的沉积形态和晶体结构（002晶面择优取向）。

图3 | 原位形成的液晶中间相界面用于模板化沉积。

图4 | 液晶相界面调控策略用于二氧化锰沉积和水系双无极全电池演示。

文章链接:

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