融合分子可以作为更安全的锂离子电池的构建模块

通过将一对扭曲的分子结构融合在一起，康奈尔大学的研究人员创造了一种多孔晶体，可以吸收锂离子电解质并通过一维纳米通道顺利传输它们，这种设计可以带来更安全的固态锂离子电池。

该团队的论文“用于快速锂离子传输的融合大环笼分子的超分子组装”是发表在美国化学会杂志。第一作者是王宇哲。

该项目由康奈尔大学材料科学与工程系助理教授、该论文的资深作者于忠领导，他的实验室专门合成可推进储能和可持续发展技术的软质和纳米级材料。

两年前，钟刚加入康奈尔大学任教，当时王是一名刚开始大三的本科转学生，他热衷于承担一个研究项目。

钟的潜在主题列表中最重要的是找到一种制造更安全的锂离子电池的方法。在传统锂离子电池，离子通过液体电解质穿梭。但液体电解质会在电池的阳极和阴极之间形成尖刺的枝晶，从而使电池短路，或者在极少数情况下发生爆炸。

固态电池会更安全，但这也带来了挑战。离子在固体中移动速度较慢，因为它们面临更大的阻力。钟想要设计一种多孔的新晶体，使离子可以通过某种路径移动。这条道路需要顺利，弱相互作用位于锂离子和晶体之间，因此离子不会粘附。并且晶体需要容纳足够的离子以确保高离子浓度。

王去工作并设计了一种将两个怪人融合在一起的方法分子结构具有互补形状：大环和分子笼。大环是具有 12 个或更多原子的环的分子，分子笼是多环化合物，或多或少类似于它们的名字。

“大环化合物和分子笼都有内在的孔隙，离子可以在其中停留和通过，”王说。 “通过使用它们作为积木对于多孔晶体，晶体将具有很大的空间来存储离子和用于离子传输的互连通道。”

王将这些成分融合在一起，中心有一个分子笼，三个大环呈放射状附着，就像翅膀或手臂一样。这些大环笼分子利用氢键及其联锁形状自组装成更大、更复杂的三维晶体，这些晶体是纳米多孔的，具有一维通道——“离子传输的理想途径”，钟说—离子电导率高达 8.3 × 10^-4西门子每厘米。

“这种电导率是这些基于分子的固态锂离子导电电解质的历史新高，”钟说。

研究人员获得晶体后，需要更好地了解其构成，因此他们与材料科学与工程教授 Judy Cha 博士合作，她使用扫描技术透射电子显微镜探索其结构，以及机械与工程学助理教授 Jingjie Yeo航空航天工程，其模拟阐明了分子和锂离子之间的相互作用。

“因此，将所有的部分结合在一起，我们最终很好地理解了为什么这种结构确实适合离子传输，以及为什么我们用这种材料获得如此高的电导率，”钟说。

除了制造更安全的锂离子电池外，该材料还可以用于分离水净化中的离子和分子，以及制造用于生物电子电路和传感器的混合离子电子传导结构。

“这种大环笼分子绝对是这个领域的新事物，”钟说。 “分子笼和大环已经为人所知一段时间了，但如何真正利用这两个分子的独特几何形状来指导新的、更复杂的结构的自组装，是一个尚未探索的领域。

“现在在我们的团队中，我们正在研究不同分子的合成，如何组装它们并制造具有不同几何形状的分子，这样我们就可以扩展制造新纳米多孔材料的所有可能性。也许这是为了锂离子导电性或者甚至可能用于许多其他不同的应用。”

共同作者包括博士生王凯阳；硕士生 Ashutosh Garudapalli；博士后研究员 Stephen Funni 和 Qiyi Fang；以及来自莱斯大学、芝加哥大学和哥伦比亚大学的研究人员。