融合分子可以作为更安全的锂离子电池的构建模块

通过融合一对扭曲的分子结构，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输送它们——这种设计可以制造出更安全的固态锂离子电池。

该团队的论文《融合大环笼状分子的超分子组装用于快速锂离子传输》发表在《美国化学会志》上，第一作者为王宇哲。

该项目由康奈尔工程学院材料科学与工程助理教授兼论文资深作者 Yu Zhong 领导，其实验室专门合成可推进能源存储和可持续技术的软材料和纳米级材料。

两年前，钟刚加入康奈尔大学任教，就接到了大三本科转校生王某的联系，王某对承担一个研究项目很感兴趣。

钟教授列出的潜在课题中，最重要的是找到一种制造更安全的锂离子电池的方法。在传统的锂离子电池中，离子通过液体电解质来回移动。但液体电解质会在电池的阳极和阴极之间形成尖刺状的树枝状晶体，从而导致电池短路，或在极少数情况下爆炸。

固态电池会更安全，但也存在自身的挑战。离子在固体中移动得更慢，因为它们面临更大的阻力。钟希望设计一种新的晶体，这种晶体具有足够的多孔性，以便离子可以通过某种通道移动。这种通道需要光滑，锂离子和晶体之间的相互作用较弱，这样离子就不会粘附。而且晶体需要容纳足够多的离子，以确保较高的离子浓度。

王教授开始着手研究，发明了一种将两种形状互补的古怪分子结构融合在一起的方法：大环和分子笼。大环是环上有 12 个或更多原子的分子，而分子笼是与其名称大致相似的多环化合物。

王说：“大环化合物和分子笼都具有内在孔隙，离子可以停留和通过这些孔隙。通过利用它们作为多孔晶体的构建块，晶体将具有较大的空间来存储离子，并具有相互连接的通道供离子传输。”

王将各个成分融合在一起，分子笼位于中心，三个大环分子呈放射状连接，就像翅膀或手臂一样。这些大环笼分子利用氢键及其互锁形状自组装成更大、更复杂的三维晶体，这些晶体具有纳米多孔结构，具有一维通道——“离子传输的理想途径”，钟教授说——离子电导率高达每厘米 8.3 × 10 -4西门子。

钟说：“这种电导率是基于分子的固态锂离子导电电解质的最高纪录。”

研究人员获得晶体后，需要更好地了解其组成，因此他们与材料科学与工程系教授 Judy Cha 博士和机械与航空航天工程系助理教授 Jingjie Yeo 合作，前者使用扫描透射电子显微镜探索其结构，后者通过模拟阐明了分子与锂离子之间的相互作用。

钟说： “所以，综合所有这些因素，我们最终很好地理解了为什么这种结构有利于离子传输，以及为什么这种材料具有如此高的导电性。”

除了制造更安全的锂离子电池外，该材料还可用来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导电结构。

“这种大环笼分子在这个领域绝对是新事物，”钟说。“分子笼和大环分子早已为人所知，但如何真正利用这两种分子的独特几何形状来引导新的、更复杂的结构的自组装，这还是一个尚未探索的领域。

“现在我们小组正在研究不同分子的合成，如何组装它们并制造出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。也许它用于锂离子传导，也许用于许多其他不同的应用。”

合著者包括博士生王开阳、硕士生阿舒托什·加鲁达帕利、博士后研究员斯蒂芬·芬尼和方其一、以及莱斯大学、芝加哥大学和哥伦比亚大学的研究人员。