01 科学背景
水系电池已有200多年的历史，由于与传统锂离子电池相比具有安全优势，开启水系电池更广泛应用的关键在于提高其能量密度和循环寿命。一种有前景的水系电池化学特征是阳极具有Zn2+/Zn反应对，阴极具有Mn2+/MnO2反应对。这种环保配对可实现约2 V的工作电池电压和高比容量的双电子转移反应。为了进一步提高能量密度，初始无阳极/阴极设计可能是有益的。无双电极设计避免了Zn/MnO2的过度使用和复杂的电极制备工艺，组装方便，从而降低了成本。然而，Zn/MnO2沉积/剥离的可逆性不足，沉积的ε相MnO2表现出低电导率，并且Mn3+溶解导致活性物质的耗尽，竞争性析氧反应也会加速水的消耗，镀锌还面临枝晶生长和析氢反应等挑战。因此，采用无双电极的电池设计在逻辑上是可行的，但如何实现该电池长循环寿命是尚未解决的问题。控制电沉积材料的晶体结构可以提高电镀/剥离效率并延长循环寿命，尽管Zn和ε-MnO2都属于六方晶系，但不存在可以在同一电化学电池中同时调节两种材料结构的调节策略。表面活性剂分子的自组装可以引发具有不同有序结构的液晶模板的创建，尽管表面活性剂分子通常用于通过界面吸附来改变金属的耐腐蚀性和沉积行为，液晶也从未被引入电池中作为界面层。但水性电池通常缺乏固有且有效的界面，使用液晶作为电池中的中间相甚至可能更有益。
02 创新成果
美国国家科学院院士，斯坦福大学终身教授崔屹课题组发现通过添加微量非离子表面活性剂原位形成了液晶界面相，液晶界面使Zn和MnO2沉积沿c轴排列，大大提高了电化学循环稳定性。这种高度可逆的双沉积使得开发无阳极和无阴极配置的高能量密度（高达213 Wh kg-1）无双电极电池（DEFB）成为可能。软物质表征揭示了从沉积前排列的表面活性剂分子双层到沉积后梯度液晶界面的动态转换过程。该中间相的形成引导Zn和MnO2的模板化生长，并解释了高度可逆的电镀/剥离，从而延长了循环寿命。具体而言，含有0.1 mM表面活性剂的Zn-MnO2DEFB显示出最长的循环寿命，在约950次循环后容量保持率为80%。液晶界面超越了传统的固体涂层，提供了灵活且动态适应性强的界面，可增强离子传输并有效控制晶体取向。这些特性加上其较低的生产成本和易于应用，使其特别适合推进可扩展电池技术并提高电化学设备的性能和寿命。
相关研究成果2024年9月20日以“In situ formation of liquid crystal interphase in electrolytes with soft templating effects for aqueous dual-electrode-free batteries”为题发表在Nature Energy上。
03 核心创新点
软模板效应：借鉴材料合成中的软模板策略，研究者在电沉积过程中引入了表面活性剂分子，通过这种软模板效应来调控沉积物的晶体取向和形态。
液晶相界面膜的形成：通过在电解液中添加微量表面活性剂，实现了在沉积过程中原位形成液晶相界面膜。这种界面膜能够引导Zn和MnO2沿c轴方向沉积，从而提高电池的可逆性和循环稳定性。
电化学性能的显著提升：利用这种策略，研究者成功地将DEFBs的能量密度提高到超过200 Wh kg-1，并且在苛刻条件下（如无隔膜和密封件，以及在高温和低温条件下）展示了电池的稳定性和性能。
04 数据概览
05 成果启示
该项研究提出了液晶界面化学，并建立了调节稳定和高能量密度水系电池的优选沉积方向的总体策略。深入的软物质表征揭示了充电过程中单个表面活性剂分子双层原位形成梯度液晶界面相。这种表面活性剂聚集诱导的界面结构有利于六方晶系(002)平面的模板化生长，从而增强沉积可逆性。扩展了胶体化学中长期建立的软模板方法，提出了一种解决水性电池中不可逆沉积问题的解决方案。即使在十分苛刻的条件下，基于具有超高能量密度的Zn/MnO2双沉积的全电池也使用这种局部液晶界面显著提高了循环寿命。液晶界面相的原位形成似乎是一种更普遍的现象，在适当的条件下可以使用各种表面活性剂来实现，而不仅限于研究中最初报道的特定表面活性剂。这种简便的方法可以扩展到其他电极系统，例如立方铜，甚至非水锂（需要解决SEI竞争性增长），鼓励液晶界面结构的定制，以促进能量存储的进步。
doi.org/10.1038/s41560-024-01638-z
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