全固态电池（ASSBs）因其固有的安全性和潜在的高能量密度，被视为下一代电化学储能技术的重要发展方向。其中，固态聚合物电解质（SPEs）凭借其良好的机械柔性、与现有制造工艺的兼容性以及与电极形成紧密界面的能力而备受关注。然而，SPEs的实际应用长期受限于两个相互关联的根本性难题：较低的室温离子电导率与较差的界面稳定性。
鉴于此，深圳清华大学研究院刘思捷团队在国际学术期刊《Battery Energy》上发表了题为“Programming Ionic Landscapes: Ferroelectric Liquid Crystals, Dielectric Fields, and Process-Programmed Assembly for the Future of Solid-State Batteries”的前瞻性论文。该文系统阐述了固态聚合物电解质在离子输运层面所面临的低介电常数与结构无序双重瓶颈，创新性地提出了从“被动优化无序介质”向“主动编程离子传输路径”的范式转变。文章深入探讨了液晶材料，特别是铁电向列相及铁电柱状相液晶，作为可编程介电环境与有序离子通道构筑单元的独特潜力，并结合墨水直写、四维打印及静电纺丝等先进定向组装技术，论证了从分子尺度有序性向宏观器件功能跨越的可行路径。该工作不仅为突破传统固态聚合物电解质的性能天花板提供了全新的材料与工艺协同设计框架，更明确了未来研究中关于编程有序结构的工况稳定性、高分辨率原位表征及规模化制造等关键科学问题，对推动全固态电池电解质从均质化设计走向离子景观架构具有重要的引领意义。
1.聚合物电解质的困境：低介电常数与结构无序
传统SPEs的瓶颈在于聚合物基体本征的低介电常数。由于介电常数通常低于10，聚合物环境无法有效屏蔽锂盐中阴阳离子间的库仑引力，导致大量锂盐以电中性的离子对或聚集体形式存在，无法贡献离子电导。与此同时，离子传输依赖于聚合物链段的蠕动，离子在无定形区的无规缠结网络中沿曲折路径迁移。这种结构上的无序不仅延长了离子的实际迁移距离，更在电极界面处引发不均匀的离子通量，从而诱发锂枝晶生长，最终导致电池失效。尽管添加陶瓷填料或高介电增塑剂等传统策略能在一定程度上改善某一性能，但往往以牺牲其他性能为代价，始终未能跳出“优化无序介质”的固有范式。
2.核心论点：从被动输运到主动编程
该论文提出了一种根本性的思路转变：不再被动接受聚合物基质的无序性，而是主动编程离子传输路径。这需要一种兼具高介电常数与可编程分子架构的材料平台，而液晶（LCs）恰好满足了这一需求。液晶分子具有显著的介电各向异性，其取向有序性为构建连续、低迂曲度的离子传输通道提供了可能。结合定向组装技术，即可实现从被动耐受无序到主动设计离子输运网络的跨越。
3.液晶作为可编程离子传输电解质
液晶是一种兼具液体流动性与晶体有序性的软物质。通过分子设计与外部刺激，液晶可呈现向列相、近晶相、胆甾相等多种相态，每种相态均提供了独特的离子传输架构。近期发现的铁电向列相液晶更具备自发宏观极化特性，其内置的极化电场能够主动排斥阴离子、引导锂离子迁移，有望突破传统SPEs仅依赖浓度梯度与电场驱动的局限。然而，当前铁电向列相体系测得的离子电导率尚未与高极化值匹配，这指向了分子工程需解决的高粘度与离子溶剂化优化问题。此外，铁电柱状相液晶通过核壳结构的自组装，同样展示了稳定的可切换极化特性，为设计稳定的离子通路提供了另一条路径。
图1 | (a) 液晶分子形成的不同液晶相态示意图。(b) 左图：手性近晶C相中螺旋排列的示意图。中图：正常铁电体与弛豫铁电体的畴结构与极化-电场（P-E）电滞回线对比。右图：首个呈现近晶C相的液晶聚合物示意图，近晶C*相中的C₂对称性导致层平面法向的净极化，但宏观极化因螺旋超结构抵消。(c) 铁电柱状相液晶的分子与相结构。(d) 核壳结构模型及氢键组装单元示意图。
4.定向组装：以先进制造技术书写有序结构
将液晶的分子有序性转化为宏观器件功能，依赖于先进的制造工艺。基于剪切诱导取向的墨水直写（DIW）技术，可利用喷嘴处的剪切流动使液晶分子沿打印方向排列。通过调控打印速度、温度等参数，可精确控制分子的取向程度，从而在电解质内部预设各向异性的离子电导通路。四维（4D）打印概念的引入更进一步，它允许在打印成型后，通过机械拉伸或变形对分子排列进行二次编程，并利用热固化或光固化将有序结构锁定。静电纺丝技术同样利用拉伸流场使分子沿纤维轴向排列。这些工艺将电解质制造从简单的材料成型转变为离子传输架构的精密构筑过程。
5.构筑离子景观：分级与梯度设计
面向实际应用的固态电池，其不同界面（正极/电解质、负极/电解质）对材料性能的要求截然不同。单一均质膜难以同时满足高氧化稳定性、高离子电导率与强机械抑制枝晶能力矛盾需求。因此，需要构筑具有空间差异性的离子传输景观。通过分层结构设计，例如从“聚合物包盐”层过渡到“聚合物包陶瓷”层，可分别优化正极侧与负极侧的界面兼容性。梯度设计则通过在厚度方向上构筑功能性填料的浓度梯度，不仅实现了机械性能的渐变过渡，更可利用异质结界面产生的内建电场主动调控锂离子通量。此外，利用表面活性剂或液晶添加剂在电极表面原位自组装形成有序的液晶界面相，能够有效调控溶剂化鞘层结构、降低去溶剂化能垒并引导离子的外延沉积，是稳定电极界面的有效策略。
6.结论与展望
固态聚合物电解质的研究重心应从单纯的新材料发现，转向对离子输运行为本身的主动编程。通过将液晶的可编程分子有序性、介电工程学原理以及先进制造技术三者融合，研究者得以设计并制备具有层级结构与梯度特性的电解质，在分子层面预设离子迁移的高速公路。未来的挑战在于确保这种被编程的有序结构在电池实际工况下的长期稳定性、发展高分辨率的原位表征技术以验证设计有效性、以及探索与卷对卷制造工艺兼容的规模化生产路径。尽管面临诸多科学与工程问题，但液晶与定向制造技术的结合，已为突破传统聚合物电解质瓶颈指明了新的方向，开启了主动编程离子输运的新范式。
深圳清华大学研究院低碳能源与节能技术重点实验室副主任、副研究员，香港科技大学访问学者刘思捷为论文通讯作者。西京学院赵玉真教授为论文的共同第一作者。论文的其他主要贡献者为研究深圳清华大学研究院低碳能源与节能技术重点实验室主任陈建军教授，香港科技大学周乐，先进显示与光电子技术国家重点实验室主任，香港科技大学教授Kristiaan Neyts。得到深圳市可持续发展专项项目、、香港GRC等项目的资助。
【论文信息】
Programming Ionic Landscapes: Ferroelectric Liquid Crystals, Dielectric Fields, and Process-Programmed Assembly for the Future of Solid-State Batteries
Sijie Liu*, Yuzhen Zhao, Le Zhou, Jianjun Chen, Kristiaan Neyts
Battery Energy, 2026. DOI: 10.1002/bte2.70117
论文链接：http://dx.doi.org/10.1002/bte2.70117
