融合分子可以作為更安全的鋰離子電池的建構模組

透過將一對扭曲的分子結構融合在一起，康乃爾大學的研究人員創造了一種多孔晶體，可以吸收鋰離子電解質並透過一維奈米通道順利傳輸它們，這種設計可以帶來更安全的固態鋰離子電池。

該團隊的論文「用於快速鋰離子傳輸的融合大環籠分子的超分子組裝」是發表在美國化學會雜誌。第一作者是王宇哲。

該計畫由康乃爾大學材料科學與工程系助理教授、該論文的資深作者於忠領導，他的實驗室專門合成可推進儲能和永續發展技術的軟質和奈米級材料。

兩年前，鐘剛加入康乃爾大學任教，當時王是一名剛開始大三的本科轉學生，他熱衷於承擔一個研究計畫。

鐘的潛在主題清單中最重要的是找到一種製造更安全的鋰離子電池的方法。在，離子透過液體電解質穿梭。但液體電解質會在電池的陽極和陰極之間形成尖刺的枝晶，從而使電池短路，或在極少數情況下發生爆炸。

固態電池會更安全，但這也帶來了挑戰。離子在固體中移動速度較慢，因為它們面臨更大的阻力。鐘想要設計一種多孔的新晶體，使離子可以通過某種路徑移動。這條路需要順利，位於鋰離子和晶體之間，因此離子不會黏附。並且晶體需要容納足夠的離子以確保高離子濃度。

王去工作並設計了一種將兩個怪人融合在一起的方法具有互補形狀：大環和。大環是具有 12 個或更多原子的環的分子，分子籠是多環化合物，或多或少類似於它們的名字。

「大環化合物和分子籠都有內在的孔隙，離子可以在其中停留和通過，」王說。 「透過使用它們作為對於多孔晶體，晶體將具有很大的空間來儲存離子和用於離子傳輸的互連通道。

王將這些成分融合在一起，中心有一個分子籠，三個大環呈放射狀附著，就像翅膀或手臂一樣。這些大環籠分子利用氫鍵及其聯鎖形狀自組裝成更大、更複雜的三維晶體，這些晶體是奈米多孔的，具有一維通道？ “離子傳輸的理想途徑，”鐘說。高達8.3×10的離子電導率^-4西門子每公分。

「這種電導率是這些基於分子的固態鋰離子導電電解質的歷史新高，」鐘說。

研究人員獲得晶體後，需要更了解其組成，因此他們與材料科學與工程教授 Judy Cha 博士合作，她使用掃描技術探索其結構，以及機械與工程學助理教授 Jingjie Yeo，其模擬闡明了分子和鋰離子之間的相互作用。

「因此，將所有的部分結合在一起，我們最終很好地理解了為什麼這種結構確實適合，以及為什麼我們用這種材料獲得如此高的電導率，」鐘說。

除了製造更安全的鋰離子電池外，該材料還可用於分離水淨化中的離子和分子，以及製造用於生物電子電路和感測器的混合離子電子傳導結構。

「這種大環籠分子絕對是這個領域的新事物，」鐘說。 「分子籠和大環已經為人所知一段時間了，但如何真正利用這兩個分子的獨特幾何形狀來指導新的、更複雜的結構的自組裝，是一個尚未探索的領域。

「現在在我們的團隊中，我們正在研究不同分子的合成，如何組裝它們並製造具有不同幾何形狀的分子，這樣我們就可以擴展製造新奈米多孔材料的所有可能性。也許這是為了鋰離子導電性或甚至可能用於許多其他不同的應用。

共同作者包括博士生王凱陽；碩士生 Ashutosh Garudapalli；博士後研究員 Stephen Funni 和 Qiyi Fang；以及來自萊斯大學、芝加哥大學和哥倫比亞大學的研究人員。