康奈尔大学的突破可能意味着电池爆炸时代的终结

康奈尔大学的研究人员利用独特的大循环和分子笼结构的融合设计了一种开创性的多孔晶体，增强了固态电池中的锂离子传输。

这种新的晶体设计以一维纳米通道为特征，显著提高了离子的导电性，这一发展承诺了更安全的电池，并在水净化和生物电子学方面有潜在的应用。

通过融合两种扭曲的分子结构，康奈尔大学的研究人员已经开发出一种多孔晶体，能够吸收锂离子电解质，并通过一维纳米通道顺利运输。这种创新的设计有可能提高固态锂离子电池的安全性。

该团队的研究结果详细发表在最近发表在《美国化学学会杂志》上的论文《用于快速锂离子传输的熔融大环笼分子的超分子组装》中。第一作者是王玉哲（音译）。

该项目由康奈尔大学工程学院材料科学与工程助理教授、该论文的资深作者钟宇（音译）领导，他的实验室专门研究合成“软”和纳米级材料，这些材料可以推进能源存储和可持续性技术。

两年前，钟宇刚加入康奈尔大学，就被王玉哲联系上了。王玉哲是一名大三的本科转校生，对参与一个研究项目充满热情。

设计更安全的锂离子电池

在钟宇的潜在课题列表中，最重要的是找到一种制造更安全的锂离子电池的方法。在传统的锂离子电池中，离子通过液体电解质来回穿梭。但是液体电解质会在电池的阳极和阴极之间形成尖状的树突，这会使电池短路，或者在极少数情况下会爆炸。

固态电池通常更安全，但也面临着独特的挑战。在这些电池中，由于增加的电阻，离子通过固体材料的速度更慢。为了克服这个问题，钟的目标是创造一种新型的多孔晶体，可以促进离子沿着指定的路径运动。这条路径需要允许锂离子和晶体结构之间最小的相互作用，以防止离子粘在一起。此外，晶体需要容纳高浓度的离子以保持有效的导电性。

创新分子融合

在学院工程学习计划的资助下，王玉哲开始工作，并设计了一种方法，将两个具有互补形状的偏心分子结构融合在一起：大环和分子笼。

大环是由12个或更多原子组成的分子环，而分子笼是多环化合物，或多或少与它们的名字相似。

“大环和分子笼都有内在的孔隙，离子可以在其中停留和通过，”王玉哲说。“通过使用它们作为多孔晶体的基石，晶体将有大的空间来存储离子和相互连接的离子运输通道。”

实现创纪录的高离子电导率

王玉哲将这些成分融合在一起，中间是一个分子笼，三个大环呈放射状相连，就像翅膀或手臂一样。这些大环笼形分子利用氢键和它们的互锁形状自组装成更大、更复杂的纳米孔三维晶体，具有一维通道 —— “离子运输的理想途径”，根据钟宇的说法 —— 离子电导率高达每厘米8.3×10^-4西门子。

“这种导电性是这些基于分子的固态锂离子导电电解质的最高记录，”钟宇说。

详细的结构分析和应用

一旦研究人员有了他们的晶体，他们需要更好地了解它的组成，所以他们与材料科学与工程教授Judy Cha博士合作，她使用扫描透射电子显微镜来探索它的结构，以及机械和航空航天工程助理教授Jingjie Yeo，他的模拟澄清了分子和锂离子之间的相互作用。

“因此，把所有的碎片放在一起，我们最终建立了一个很好的理解，为什么这种结构对离子传输真的很好，为什么我们用这种材料获得如此高的导电性，”钟宇说。

除了制造更安全的锂离子电池外，这种材料还可能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。

探索未来应用

“这种大环笼分子在这个社区中绝对是新事物，”钟宇说。“分子笼和大环已经被人们所知有一段时间了，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是一个尚未探索的领域。现在在我们的小组中，我们正在研究不同分子的合成，如何将它们组装起来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。也许它是为了锂离子导电性，或者甚至可能是为了许多其他不同的应用。”