现代能源存储与转化技术迅猛发展，亟需先进的电解质材料。液晶是一类独特的软物质材料，兼具液体的流动性和固态晶体的有序性，在纳米尺度展现了丰富多维的相态结构，例如柱状相、近晶相、双连续立方相等。这些有序结构可作为高效的离子通道，实现离子的快速定向传输。而且液晶还具有优良的可加工性，其相形态可以通过外场进行调控，易于器件化和操控化。上述优势使得液晶成为开发先进电解质材料的优异候选者。然而，液晶本质上是液体，其微相结构易随温度而变化。在高温条件下，液晶离子通道难以保持其结构稳定性，这在很大程度上限制了液晶电解质在高温条件下的应用，特别是在工作温度高于100℃的无水质子传导领域。因此，发展高温稳定的质子传导型液晶电解质具有重要的科学意义。

吉林大学李昊龙课题组长期从事无机团簇/聚合物杂化材料的结构与功能研究，致力于通过团簇杂化去调控聚合物的微相结构，实现聚合物材料力学和电学功能的协同增强，在团簇/聚合物共组装方法、团簇/聚合物杂化电解质等方面取得了系列进展：（1）提出了基于团簇自组装的聚合物力学改性新策略，设计了配体可移动的无机团簇，可作为自组装型填料在聚合物基体中形成多级结构，实现了显著的力学增强（ACS Nano 2019, 13, 7135-7145.）；（2）提出了基于团簇静电交联调控聚合物微相结构的新策略，普适于嵌段共聚物和梳型共聚物，可通过一步静电交联制备双连续结构的聚合物杂化材料，在材料中同时实现了高离子电导率和高力学强度（Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 9013-9017;CCS Chemistry 2021, 3, 603-613.）。

近期，该课题组报道了一种基于多金属氧簇和两性离子聚合物自组装的高温稳定型液晶电解质（图一）。聚合物配体可以在多金属氧簇表面发生动态重排，形成亚10纳米且高度有序的六方柱状相，其柱芯由多金属氧簇堆积而成（图二a）。在该结构中，多金属氧簇同时发挥了静电交联剂和高质子导体的作用，一方面增强了柱状相的结构稳定性，另一方面赋予了柱状相优异的质子传导能力，使得该柱状相能够作为高温稳定的质子通道。研究表明，这些柱状通道结构能够在90-160℃的宽温度范围内表现出优异的稳定性，即使在液晶态时，其微相结构仍与固态时保持一致（图二b），表现为高度有序的液体。这种高温稳定性是传统小分子液晶无法实现的。研究者将固态核磁双量子滤波技术和变温红外表征技术相结合，阐明了该体系中可移动质子的来源以及液晶态的质子传导机制。


图一：多金属氧簇/聚合物杂化液晶电解质制备示意图

图二：液晶电解质的TEM图像与变温SAXS谱图

总之，该工作提出的团簇非共价增强策略有效解决了液晶电解质的高温稳定性问题，并展示了多金属氧簇在制备高性能液晶电解质方面的独特作用，可作为多功能增强剂，同时提升液晶电解质的稳定性和导电性。该策略可以进一步拓展至其他类型的电解质体系，为设计面向能源和电子应用的先进离子传导材料提供指导。

文章详情: Shengchao Chai, Fengrui Xu, Rongchun Zhang, Xiaoliang Wang, Liang Zhai, Xiang Li, Hu-Jun Qian, Lixin Wu, and Haolong Li*J. Am. Chem. Soc.2021.

原文链接: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c11884