EES batteries：液晶電解質破局！鋰電池性能極限再突破

在全球向清潔能源與可持續未來加速轉型的背景下，開發兼具卓越能量密度、本質安全性和超長循環壽命的先進電化學儲能技術變得至關重要。鋰離子電池（LIB）作為當前儲能體系的主導技術平臺，憑借其出色的能量密度與轉換效率，已在消費電子至交通電氣化等廣泛領域確立了核心地位。然而，其普遍采用的液態電解質體系所固有的熱失控風險及電化學性能瓶頸，日益凸顯出對創新性電解質解決方案的迫切需求。在此背景下，液晶電解質（LCE）作為一種極具潛力的前沿電解質體系，因其獨特的自組裝特性和分子有序性，展現出解決傳統液態電解質關鍵安全缺陷與性能局限性的巨大前景。

鑒于此，深圳清華大學研究院（清華深研院）劉思捷/香港科技大學Kristiaan Neyts團隊在《EES batteries》國際期刊上發表前瞻性綜述，系統闡釋了功能液晶材料在鋰離子電池電解質的多功能應用場景與作用機制。

本綜述聚焦LCE領域的最新進展，重點探討其分類、結構特征及離子傳輸機制。LCE主要從兩方面分類：首先，基于離子傳輸機制，包括由自組裝形成的一維（1D）、二維（2D）和三維（3D）通道；其次，根據分子結構，可分為離子型或非離子型。此外，增強離子導電性和Li?相容性的分子設計進展，顯著提升了電池關鍵性能，如能量密度和循環穩定性。綜述最后展望了LCE研究的未來方向，強調其在革新儲能解決方案、開發更高能量密度、更長循環壽命和更安全電池方面的潛力。通過提供全面分析和深刻見解，旨在促進液晶（LC）系統在儲能技術中的進一步研究和創新應用。

隨著全球對清潔能源和可持續發展的需求不斷擴大，特別是在電動汽車、可再生能源存儲和智能電網技術等領域，提供高能量密度、增強安全性和延長使用壽命的電池的需求變得越來越迫切。鋰離子電池（LIB）已成為領先的儲能技術，以其卓越的能量密度、長循環壽命和環保特性而聞名，廣泛應用于便攜式電子設備和大規模儲能系統中。盡管在過去幾十年里，傳統液態LIB取得了顯著進展，但其固有的安全風險和能量密度限制已變得越來越明顯。這些電池通常依賴于易揮發和易燃的有機液體電解質，在極端條件下如高溫、過充和機械沖擊下極易發生熱失控，導致火災和爆炸等災難性后果。此外，這些電解質的穩定性和離子導電性是直接影響LIB整體性能的關鍵因素。因此，開發兼具高離子導電性和非揮發性的電解質變得至關重要。這種電解質有望顯著提升LIB的電化學性能，同時減輕與傳統液態電解質相關的安全風險。研究人員正在努力通過精細優化化學成分和結構設計，開發能夠在廣泛操作條件下保持可靠性能的材料。這一效果對于應對現代電池技術的安全性和效率雙重挑戰至關重要，為更可靠和高性能的儲能解決方案鋪平道路。

圖1液晶電解質（LCE）發展史上的幾個關鍵點。首次合成液晶電解質。首次在類似固體的液晶電解質中展示離子傳導。液晶電解質的交聯有機雙層結構。結合離子和電子功能的納米結構液晶電解質。具有高度有序離子通道的向列型液晶電解質。首次將熱致液晶用作電解質。盤狀液晶電解質的自組裝。首次將熱致液晶用于鋰離子電池。用于固態電池的具有有序快速鋰離子傳導納米通道的柔性液晶電解質。具有納米晶的固態剛性棒液晶電解質。快速離子傳導的液晶分子改性共聚物。首次用于鋰離子電池的液晶電解質。

近年來，液晶電解質在LIBs領域的研究與應用受到廣泛關注，吸引了越來越多研究者投身于先進LCE的開發與探索。這種日益增長的興趣主要源于液晶材料獨特的物理化學性質，這些性質在電化學特性、結構穩定性和加工便利性方面表現卓越。其中，雙連續立方液晶因其無縫結合了液晶電解質和固態電解質（SSE）的優點，被認為是最有前景的準固態電解質（SSE）候選材料之一。雙連續立方液晶兼具流動性和長程有序性，提供優異的離子電導率及在電池充放電過程中出色的界面兼容性。這些特性顯著增強了其作為LIB電解質的潛力。通過將這些先進材料整合到電化學系統中，研究人員旨在實現儲能效率和可持續性的突破。隨著研究的深入，液晶電解質革新LIB性能的潛力依然巨大，為未來儲能創新鋪平道路。然而，盡管關注度日增，關于液晶電解質應用的全面綜述仍然缺乏，這阻礙了該領域知識的系統利用。

因此，本綜述從多個關鍵角度對液晶電解質進行了全面分析：首先，探討LCE的基本概念、分類、結構特征及離子傳導機制；其次，分析LCE在LIBs中的具體應用，重點關注其對提升電池性能、延長循環壽命和提高安全性的貢獻；最后，展望LCE在LIB技術中的未來發展趨勢，包括潛在挑戰和新興機遇。這種全面分析為液晶電解質的深入研究提供了寶貴見解，從而推動新型電池材料的創新與應用。

【液晶材料的分類】

圖2由液晶分子構建的液晶相圖。

當物質在外部條件變化下從晶體狀態轉變為液態時，首先失去其結構秩序，導致流動性增強。然而，晶體狀態的一些各向異性取向特性可能仍然保留，導致一種既具有固體又具有液體性質的中間相。這種中間相被稱為液晶（LC）。該術語源自希臘詞“mesos”，意為“中間”。液晶相部分保持分子秩序，同時保留流動性。這種各向異性和流體特性的獨特組合對于實現對分子排列的精確控制至關重要。在分子水平上，液晶可以形成各種中間相，允許調節它們的物理性質。顯示液晶性質的化合物通常包含芳香環以誘導液晶行為。在液晶相中，分子在至少一個方向上保持取向和/或長程位置順序，從而能夠在沒有固定位置的情況下移動。這種取向秩序最小化了排除體積并最大化了分子間相互作用，使其區別于無序的液態。液晶材料表現出各向異性性質（例如折射率、介電常數、導電性），這些性質隨測量方向而變化。它們的分子流動性使其能夠對外部刺激（例如電場）作出響應。棒狀中間相分子具有剛性的中央核心和末端基團，這些末端基團可能包括增強分子流動性的柔性鏈或極性基團。這些分子通常表現出永久偶極矩或各向異性極化，這對于中間相行為至關重要。向列相（N）沒有位置順序，但傾向于指向同一方向，由方向矢量n定義，這創建了一維（1D）秩序。在大塊樣品中，n波動，形成具有不同取向的微域。高縱橫比的介晶傾向于形成向列相。引入手性會導致手性向列（膽甾相），其中n沿垂直軸螺旋旋轉，形成螺旋超結構。藍相液晶的特點是三維立方缺陷結構，這是分子堆積和手性力相互作用的結果（如圖2所示）。在藍相中，介晶分子沿x軸和y軸采用“雙扭”配置，形成所謂的雙扭曲圓柱。這些雙扭曲圓柱之間的空間中的分子取向不能連續對齊，導致立方晶格內能量不利的位錯形成。因此，藍相液晶通常出現在約0.5-2.0°C的狹窄溫度范圍內，位于各向同性和膽甾相之間，在高度手性的液晶中。在冷卻過程中，依次觀察到三種不同的藍相：藍相I、藍相II和藍相III。藍相I和藍相II分別表現出體心立方（BCC）和簡單立方結構，而藍相III通常被認為是無定形的。近晶相（Sm）表現出一維位置有序，分子或聚集體形成層狀結構。層厚d定義了周期性，盡管層可能缺乏清晰的邊界。然而，近晶相主要源于納米分離效應，強調了分子組織在剛性之外的作用。近晶A相是最簡單的近晶結構，其特點是分子長軸平行于層法線排列，盡管可能會有輕微的隨機傾斜。在近晶C相中，分子在層內沿首選方向傾斜。在標準近晶C相中，相鄰層共享相同的傾斜方向（同斜相關）。

如圖2所示，盤狀液晶分子具有盤狀結構，通常由一個剛性的平面芳香核心和至少三條柔性鏈組成，形成“軟”外圍。當這些柱狀結構緊密排列形成二維晶體陣列時，會形成柱狀相（Col）。類似于棒狀液晶分子，盤狀液晶分子可以通過將短分子軸沿n方向對齊來形成向列相（ND），從而產生取向有序而無位置有序的狀態。或者，它們可以堆疊成一維柱狀結構，彼此平行排列但缺乏橫向位置相關性，形成柱狀向列相（NC）。這些柱狀結構可能源于電子供體和受體之間的電荷轉移相互作用或陽離子和陰離子之間的強靜電相互作用。矩形柱狀相（Colrec）表現出由盤狀分子組織成柱狀結構的二維矩形晶格（p2mm對稱性），具有各向異性分子間相互作用，使電荷傳輸具有方向依賴性。相比之下，六方柱狀相（Colhex），常見于徑向對稱的盤狀液晶分子如三苯基衍生物，采用六方最密堆積排列（p6mm對稱性），具有各向同性的橫向堆積和高效的1D載流子遷移率。低對稱性相包括斜柱狀相（Colobl），其特征為平行四邊形晶格（p2對稱性），源于不對稱分子堆積，導致傾斜的柱狀結構和雙折射現象。正方形柱狀相（Colsqu）則由四重對稱核心（例如金屬酞菁）穩定，具有四方晶格（p4mm對稱性），支持各向同性的平面電荷傳輸。

【液晶電解質的分類】

液晶（LC）憑借其獨特的各向異性特性，賦予液晶電解質（LCE）在鋰離子傳輸方面獨特的機制。具體來說，LCE的自組裝行為導致了柱狀、層狀和雙連續立方相等納米結構的形成，這些結構提供了高度有序的通道以促進鋰離子傳導。這種有序性源于液晶分子的高度組織的空間排列，促進了納米多孔通道的形成，顯著提高了鋰離子的傳輸速率和穩定性，在塑造鋰電池的電化學性能中起著關鍵作用。

根據液晶電解質中離子傳導的機制，可以進一步將其分為三種不同的類型：首先，由自組裝形成的1D傳輸通道，提供線性路徑使鋰離子通過其一維排列移動；其次，二維傳輸通道，允許鋰離子在二維平面上更靈活地遷移；第三，三維傳輸通道，構建了一個復雜的三維空間網絡，有效提高了鋰離子的傳輸效率。這些不同的離子傳導機制不僅影響了離子遷移的動力學，也直接影響了鋰電池的整體性能。這一理解既作為理論基礎，又作為實際指導，優化液晶電解質在電化學儲能設備中的應用。因此，系統地分類液晶電解質的離子傳導機制對于理解其傳導機制以及設計具有優異性能特性的液晶分子至關重要。

隨著納米技術的不斷進步，超分子納米結構及其多功能性引起了廣泛關注。其中一個關鍵挑戰是開發具有高效離子傳輸能力的納米通道。液晶自組裝已成為一種有前途的方法，用于制造不同尺寸的納米通道，顯著增強離子傳輸功能。近年來，離子液晶材料在能源設備中的應用穩步增長，特別是在鋰離子電池和染料敏化太陽能電池中。在各種液晶組織中，熱致液晶雙連續立方結構因其能夠形成三維互連離子通道而受到極大關注。這種結構不僅實現了高效的離子傳輸，還為納米材料的功能化提供了新途徑。雙連續立方結構的形成是由液晶分子的自組裝特性驅動的，這有助于在微觀水平上有序排列分子，從而創建具有特定功能屬性的納米通道。通過調整液晶材料的組成并調節外部條件，可以精確控制納米通道的大小和形狀，從而優化其離子傳輸性能。

圖3(a) 1D LCE在LIB中的化學結構和自組裝示意圖，作為一個通用示例。(b) 1D導離子聚合物薄膜的示意圖：柱狀LC13的自組裝和隨后的光聚合。(c)柱狀LC分子結構及其在電場下的排列示意圖，展示了1D傳輸機制。(d)引用的1D LCE工作中使用的分子結構。embly of LCEs

圖4(a)一維液晶分子式中，R為長鏈烷基取代基，如-C16H33。在20℃下，C16O5的最小能量分子模型以及C16O5-鋰鹽（1:1）復合物的示意圖（+Li+，-ClO4-）。d表示層間距。(b)在垂直施加磁場下，嵌段共聚物排列的示意圖。自由各向異性單元與液晶塊中的共價鍵各向異性單元共同組裝，其長軸沿磁場方向并與PEO域界面平行。鋰離子被限制在PEO域內，該域還包含緊密關聯于PEO主鏈的PAA鏈。(c)液晶1-3的分子結構。(d)對于液晶1-3的SmA相可能結構的示意圖。綠色圓柱、紅色橢球和橙色球分別代表π共軛部分、三氟甲磺酸陰離子和咪唑鎓陽離子。離子和π共軛部分被排列成分離的層以增強結構組織。(e)通過紫外光聚合實現了一鍋法制造具有可控離子導電路徑的柔性盤狀液晶基交聯固體聚合物電解質的過程。(f) PEO含量對LCE結晶結構機制影響的示意圖。

早在20世紀90年代，研究人員已經開始研究基于液晶電解質（LCE）自組裝的一維傳輸通道。Felix B.等人合成了一種一維液晶分子材料，如圖4a所示，用作電解質。研究表明，該材料中的-C16H33側鏈在約40°C時熔化，轉變為液晶相。液晶到各向同性相變溫度因聚合物和化學計量比而略有不同，對于Cl6O5:LiBF4（1:1）復合物，其值為89°C。離子電導率隨溫度變化表現出與相變相對應的明顯過渡，而復數阻抗行為也突顯了材料的多種狀態。1:1復合物的離子電導率超過1:0.5復合物，

并且在晶體和各向同性相中與P(EO)6:LiBF4相當，但在液晶相溫度范圍內略低。進一步的研究驗證了一維電導機制，如圖4a下半部分所示。小角和廣角X射線衍射、熱分析、高溫偏光光學顯微鏡（POM）以及能量最小化分子建模表明，聚合物Cl6O5和Cl6O6在其側鏈熔化溫度37.2°C

和34.5°C以下表現出層狀（晶體向列型）結構。Cl6O6側鏈稍低的熔化溫度部分歸因于相鄰側鏈之間凝聚傾向降低，這些側鏈由較長的寡醚骨架段隔開。在結晶狀態下，C6H33側鏈排列成六方晶格，而聚醚主鏈則采用螺旋構象。

圖5(a)二維LCE在LIBs中的機制示意圖。(b)液晶化合物和鋰鹽的分子結構，以及相應的二維LCE在LIBs中的示意圖。(c)引用的二維LCE工作中使用的分子結構。

近年來，許多研究人員報告了基于PEO嵌段共聚物和LC段的半結晶材料。Gopinadhan等人研究了一維共聚物，分析了LC對PEO18結晶化的影響。他們利用磁場定向聚合物，并發現有序柔性段中Li+導電性顯著提高。他們的研究結果表明，磁誘導排列可以有效地組織PEO在LC嵌段共聚物中的自組裝層狀和六角形域。這種排列源于由LC塊層狀順序驅動的順磁各向異性，而不是由環氧乙烷單元的結晶引起的。由于與聚丙烯酸（PAA）形成聚合物復合物以及添加高氯酸鋰，PEO塊的結晶明顯受到抑制，后者也與PEO鏈相互作用，如圖4b所示。這些摻雜物的加入增強了環氧乙烷（EO）和丙烯酸/LC段之間的相分離，導致微相分離結構的長程有序性提高，同時系統中的有序-無序轉變溫度升高。重要的是，這些摻雜物的存在不會影響磁場對系統排列的能力。研究團隊進一步證明，旋轉退火可以有效破壞層狀微域排列的簡并性，理論上通過簡單控制基底相對于磁場的方向，可以生成對應于基底任何方向的層狀排列。未來的工作將重點研究排列動力學和磁場應用對相行為的影響。在這個過程中，將使用定制合成的材料獨立訪問相圖中的層狀和圓柱形形成區域，而無需混合。實現大規模自組裝結構的靈活排列能力對于嵌段共聚物在各種新興領域的應用至關重要。磁場驅動的排列特別適合在無法應用于樣品的強流動場或復雜拓撲約束的情況下控制有序性。對PEO排列的控制尤為重要，因為有序的PEO微域在固態電池電解質薄膜中作為離子導電介質具有潛在應用。這項工作的成果預計將促進該領域的新發展。

圖6二維液晶電解質在鋰離子電池的機理圖及實例

在自組裝過程中，液晶電解質（LCE）分子組織成特定的介晶相（固液之間的中間相），如層狀、六角形或立方相。LCE在各種電解質應用中的離子傳輸效率顯著受到其傳輸機制的影響。傳統的1D LCE表現出有限的離子導電性，通常約為10^-8 S·cm^-1。這種限制主要源于離子傳輸通道的幾何約束，將離子限制在沿棒狀結構軸向運動。因此，這導致了傳輸路徑數量的減少和整體離子傳輸效率的顯著降低。為了解決與1D傳輸通道相關的挑戰，研究人員越來越多地探索包含2D傳輸路徑的液晶材料。在2D液晶結構中，離子可以有效地穿透自組裝的層狀架構，從而通過復雜的幾何排列實現更高效的離子傳輸（圖5a）。值得注意的是，向列相傾向于形成各向同性的單域結構，這不僅增強了離子的有效長程傳輸，還提供了多個方向上的平滑離子流動路徑。這種各向同性特性，特別是在2D配置中，顯著提高了離子遷移效率并改善了電解質的整體性能（圖5b）。Sakuda等人設計了一種含有末端環狀碳酸酯基團的棒狀液晶分子，當與雙(三氟甲磺酰基)亞胺鋰（LiTFSI）混合時，通過Li+與碳酸酯基團之間的離子偶極相互作用，自組裝成層狀向列相。這種有序排列創建了連續的2D離子導電路徑，使鋰離子在電池應用中的電解質內高效傳輸。

圖7(a)基于分子1形成的雙連續立方相交聯與PC-LiClO4溶液制備的鋰離子導電固液納米復合材料。(b) LC-IL固態聚合物電解質的合成路線。(c)使用C6M LC、PEGDE和LiTFSI具有定向網絡結構的半互穿網絡電解質制備過程。(d) PFMC-SPE的制造工藝。(e) LCEs制造過程示意圖。

最近的研究還關注通過液晶電解質（LCE）的自組裝開發二維傳輸通道。曾等首次合成了含硼的液晶基ABCBA多嵌段共聚物電解質（BCPE）。這些BCPE表現出顯著提高的鋰離子電導率。高度取向的液晶，其中含有介晶-C≡N，形成離子傳導通道，促進快速鋰離子傳輸，而-C≡N基團增強了電解質的氧化穩定性。引入缺電子的硼原子有助于捕捉來自解離的鋰鹽的TFSI?離子，有效地吸附雜質并減少濃度極化，從而保持界面穩定性。該系統中高效鋰離子傳輸的機制如圖6c所示。因此，多嵌段共聚物電解質表現出優異性能，包括在30°C時高達1.13×10??S/cm的高離子電導率，4.85V的寬電化學穩定窗口，增加到0.311的鋰離子遷移數以及與類似材料相比改善的機械性能。阮等研究了層狀液晶（Lyotropic LC）作為固態電解質（SSE）用于LIBs，展示了高電壓穩定性、高效的電荷傳輸和熱安全性。這些液晶通過1-十六烷基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽（[C16Mim][BF4]）在LiBF4/PC液相溶液中的自組裝制備。[C16Mim][BF4]的納米分離導致形成層狀結構，創建動態層狀離子傳導路徑（圖6d）。隨著液體含量的增加，這些路徑擴展，提高了液晶電解質的離子電導率。液晶層狀納米結構允許室溫下的液體離子電導率，并提供了優越的穩定性，使電解質能夠承受高電壓并降低與LiBF4/PC液相電解質相比的可燃性。

【液晶電解質的分子結構】

根據液晶（LC）成分的分子結構對LCEs進行分類，對于闡明其離子傳輸機制和優化其在電化學應用中的性能，特別是鋰離子電池（LIBs），至關重要。這種分類劃分為兩大主要類別：離子型LCEs和非離子型LCEs，每種類型表現出不同的性質和行為，影響它們作為電解質的實用性。將LCEs分類為離子型和非離子型提供了對其設計和功能作為電解質的重要見解。每個類別都提供了獨特的優點，可以利用這些優點來增強離子傳輸機制，使其成為追求更高效、高性能儲能系統的關鍵材料。理解這些區別不僅有助于開發先進的LC電解質，還為電化學領域的研究和創新開辟了新的途徑。

離子型液晶（LCEs）的特點是存在離子液晶分子，這些分子包含陽離子、陰離子和雙離子功能團。這些離子物種不僅賦予材料導電性，還通過自組裝過程促進納米級離子通道的形成，這對于有效的離子傳輸至關重要。離子型液晶的分子結構設計旨在促進離子物種的排列和相互作用，從而增強其傳導鋰離子的能力。功能基團如咪唑鎓、銨和膦鎓在離子型液晶的設計中起著關鍵作用。這些基團被戰略性地整合到液晶框架中，以創建有利于離子傳輸的靜電環境。這些離子部分的存在允許建立強烈的離子-偶極相互作用，導致在液晶基質內形成結構化的離子路徑。這些路徑促進了1D和2D離子傳輸，這對于提高高性能LIB所需的離子導電性至關重要。離子型液晶的獨特自組裝行為使其能夠形成有序的介相，如柱狀、層狀或立方相，這些相有利于離子遷移。自組裝過程產生的離子通道的納米尺度尺寸增強了鋰離子的有效擴散，從而降低了與離子傳輸相關的能量障礙。因此，離子型液晶表現出優異的電化學性能，使其成為未來先進儲能系統電解質配方的有吸引力的選擇。圖9a強調了離子液體（ILs）和離子型液晶在能源存儲和轉換系統中的優勢，著重于它們的基本性質和界面行為。離子液體的一個關鍵特征是其固有的低揮發性和不可燃性，這可以歸因于其分子結構中存在的獨特之字形（Z）鍵。這種Z鍵通過陽離子和陰離子之間的庫侖相互作用和氫鍵形成。由此產生的鍵以其高能量、長壽命和獨特的Z模式為特征，共同貢獻于離子液體的熱穩定性、低揮發性和防火性能。這些特性滿足了對更安全、環保的能源相關應用材料日益增長的需求。

圖8三維液晶電解質應用經典案例：LiMICs的合成機理圖。

圖9(a)離子型液晶電解質結構示意圖及其儲能優勢。(b)離子性液晶分子式總結。

圖10(a)基于層狀納米結構離子液晶的固態電解質（SSEs）用于具有熱開關性能的LIBs。(a) (b) MIM-3的正面和(c)側面掃描電子顯微鏡圖像，顯示有序的微孔結構。(d)放大后的MIM-3掃描電子顯微鏡圖像，展示了沿孔壁的納米通道。(e)原子力顯微鏡（AFM）下的微孔結構，(f),(g) MIM-3的放大原子力顯微鏡圖像。(h) MIM-3的相位圖像，顯示出有效的電荷傳輸特性的定向表面。通過改變PMIMP和P(VDF-HFP)的組成制備了離子LEC，并分別命名為MIM-1、MIM-2、MIM-3和MIM-4。(b)-(g)經Wiley-VCH許可轉載。版權2017，Wiley-VCH。(i)提出的各向異性鋰質量傳輸效應抑制枝晶機制與各向同性傳輸相比的示意圖。(j)對稱Li|ILC/LITFSI|Li和Li|PC/LiTFSI|Li電池在電流密度為0.1 mA cm-2時的電化學鋰鍍/剝離；循環后Li電極的后分析（FE-SEM）：k) PC/LiTFSI和l) ILC/LITFSI電池。離子液晶表示為ILCs 30。(i)-(l)經The Royal Society of Chemistry許可轉載。版權2021，The Royal Society of Chemistry。(m)-(x)各向同性、平面、垂直和混合樣品（從左到右第一至第四列）的POM圖像和結構示意圖。上排：在交叉偏振光下iLCEs的頂部視圖（所有四種紋理的比例尺在m)中顯示）。中排：iLCEs的反射模式截面（圖像厚度從底部到頂部）。下排：LCE（棕色橢圓）和相應樣品的離子通道（藍色線）的側視圖結構示意圖。(m)-(x)經AIP Publishing許可轉載。

圖11非離子型液晶電解質分子式總結

圖12液晶電解質應用實例

圖13(a) LCEs自組裝納米結構在鋰電中的應用。(b)提升鋰離子傳輸的納米結構LC材料策略示意圖。

圖14液晶電解質抑制鋰枝晶生長機理圖

表1液晶電解質詳細分類總截圖

【研究總結與未來展望】

本綜述系統解析了液晶電解質（LCEs）在鋰離子電池領域的前沿進展與戰略價值。依托其自組裝的二維/三維離子傳導拓撲結構，LCEs展現出突破性的離子輸運動力學與環境耐受性，確立了其作為高能量密度電池電解質的設計范式。其技術優勢表現為：

1.超高離子傳導性：賦能電池能量/功率密度協同提升，滿足極端快速充電需求；

2.本征安全機制：通過電化學界面穩定化作用有效抑制鋰枝晶成核，同步提升循環壽命與熱安全性；

3.結構-功能協同性：獨特的介觀有序性保障電極-電解質界面相容性及長周期容量保持率（>80%），性能衰減率顯著低于傳統液態體系。

盡管LCEs技術路線前景明確，其產業化仍面臨多重挑戰：

1.傳導性能瓶頸：室溫離子電導率（~10??S/cm）需通過分子工程（如嵌段共聚物復合）提升至實用閾值（>10?3S/cm）；

2.界面適配性盲區：亟需建立電極兼容性多尺度評估體系，解析固態界面演化機制；

3.操作溫度限制：開發寬溫域（-20~60℃）高效工作材料是規模化應用前提；

4.制程經濟性障礙：復雜合成路徑與高原料成本構成商業化核心阻力。

面向下一代儲能技術革命，LCEs憑借可編程分子構型與多級有序結構特性，將在以下戰略方向釋放潛力：

?功能復合材料創制：構建液晶/導電聚合物/無機納米粒子三元協同體系；

?全固態電池集成：開發界面阻抗調控新策略，確立固態電解質關鍵角色；

?綠色可持續合成：基于生物基單體設計閉環可回收LCEs材料；

?智能開發范式轉型：融合高通量計算與機器學習實現材料基因定向進化；

?多離子體系拓展：移植技術平臺至鈉/鉀離子電池等新興儲能體系。

在材料基因組計劃與電化學工程交叉驅動下，LCEs技術有望重塑高安全、高比能儲能技術格局（如電動載具、智能電網），為碳中和愿景下的可持續能源轉型提供關鍵材料支撐。

深圳清華大學研究院低碳能源與節能技術重點實驗室副主任、副研究員，香港科技大學訪問學者劉思捷為論文第一作者及通訊作者。先進顯示與光電子技術國家重點實驗室主任/香港科技大學教授Kristiaan Neyts為共同通訊作者。香港科技大學周樂為共同第一作者。研究得到深圳市可持續發展專項項目、香港研究資助局（GRC）等項目的資助。

論文信息：

Revolutionizing Lithium-Ion Batteries: Exploiting Liquid Crystal Electrolytes

Sijie Liu?,* Le Zhou?, Yun Zheng,* Kristiaan Neyts*

EES Batteries, 2025, Advance Article

論文鏈接：

https://doi.org/10.1039/D5EB00082C