斯坦福团队突破水系电池瓶颈, 液晶相引领新方向！

【研究背景】

水系电池是一种具有安全性优势的电化学储能技术，已在多个领域获得广泛应用，如电动汽车和可再生能源存储。与传统的锂离子电池相比，水系电池具有成本低、环境友好等优点。然而，水系电池的能量密度和循环寿命相对较低，限制了其应用范围。因此，提升水系电池的能量密度和延长其循环寿命成为了当前的研究挑战。

近日，来自美国斯坦福大学材料科学与工程系崔屹教授团队的课题组在水系电池的研究中取得了新进展。他们设计了一种新的液晶相，利用微量非离子表面活性剂实现了电极材料的沉积和晶体结构的控制。该研究表明，通过原位形成的液晶相，可以有效地引导锌和二氧化锰的沉积，显著增强了电池的电化学循环稳定性。

具体而言，该团队的液晶相在电池充放电过程中展现出高度可逆的沉积行为，使得双电极无电池（DEFB）在长达950个循环后保留了80%的容量。通过这一创新的方法，成功获取了高达213 Wh/kg的能量密度，显示出液晶相在电池制造过程中的广泛应用潜力。该研究不仅解决了锌和二氧化锰沉积过程中的可逆性问题，还为未来的电池技术提供了新的方向，推动了电化学设备性能和寿命的提升。

【表征解读】

本文通过多种表征手段深入探讨了液晶相的形成及其在水系电池中的应用，揭示了液晶相对锌/二氧化锰沉积行为的影响。作者使用了扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）、接触角测量、椭偏仪等仪器，对电极材料的微观结构和表面特性进行了全面的表征。

首先，利用SEM观察到电极表面沉积的形貌变化，表明在表面活性剂的作用下，锌和二氧化锰的沉积更为均匀。该现象反映了液晶相的存在，促使沉积过程更加有序和可控，从而提高了材料的电化学性能。随后，通过XRD分析，作者证实了沉积材料的晶体结构和取向，液晶相的形成促进了锌和二氧化锰晶体沿c轴的对齐，进一步提高了电池的循环稳定性。

针对液晶相形成过程中的微观机制，作者通过TEM观察到了液晶模板在电极表面上的动态变化。具体而言，在沉积前，表面活性剂形成了一层有序的分子双层，沉积后则转变为梯度液晶相，包括层状液晶和六角液晶，这一过程的动态切换为电极材料的沉积提供了理想的模板。这一发现不仅解释了高可逆性的镀层/剥离行为，还揭示了液晶相在电池应用中的潜在优势。

在此基础上，作者通过结合上述表征手段，进一步探讨了液晶相对电池性能的促进作用。通过电化学阻抗谱（EIS）测试，作者发现，液晶相显著降低了电池的界面阻抗，提高了离子传输速率。这一结果强调了液晶相在改善电极界面特性方面的重要性，表明其在电池制造中的应用前景广阔。

总之，经过SEM、XRD、TEM等多种表征手段的深入分析，作者揭示了液晶相在水系电池中的形成机制和作用，最终实现了新型电极材料的制备。该新材料不仅提高了电池的能量密度和循环寿命，还为电池技术的进一步发展提供了新的思路。作者的研究为推动电化学设备的性能提升和实际应用打下了坚实基础，展示了液晶相作为电池界面层的巨大潜力。

【图文速递】

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2：原位沉积Zn金属的沉积形态和晶体结构。

图3：原位形成的液晶相界面用于模板化沉积

图4: 液晶相界面策略用于MnO2沉积和DEFB的电化学性能。

文献信息：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