康奈尔大学的技术突破可能会彻底终结电池易爆炸起火的问题

康奈尔大学的研究人员利用大循环和分子笼结构的独特融合，设计出了一种突破性的多孔晶体，从而增强了固态电池中的锂离子传输能力。这种新型晶体设计具有一维纳米通道，可显著提高离子传导性，有望成为更安全的电池，并有望应用于水净化和生物电子学领域。

研究人员通过融合两种扭曲的分子结构，开发出了一种能够吸收锂离子电解质并通过一维纳米通道顺利传输的多孔晶体。 这种创新设计有望提高固态锂离子电池的安全性。该团队的研究成果详见最近发表在《美国化学学会学报》（Journal of the American Chemical Society）上的论文"Supramolecular Assembly of Fused Macrocycle-Cage Molecules for Fast Lithium-Ion Transport"。 第一作者是 24 岁的王宇哲。

该项目由康奈尔大学工程系材料科学与工程助理教授、论文资深作者钟宇领导，他的实验室专门从事"软"和纳米级材料的合成研究，这些材料可以推动能源存储和可持续发展技术的发展。

两年前，刚进入康奈尔大学任教的王同学与钟教授取得了联系，王同学是一名本科转学生，刚上大三，热衷于研究项目。

在钟宇的潜在课题清单上，排在首位的是找到制造更安全锂离子电池的方法。 在传统的锂离子电池中，离子是通过液态电解质流动的。 但液态电解质会在电池的阳极和阴极之间形成尖锐的树枝状突起，从而导致电池短路，在极少数情况下还会发生爆炸。

固态电池通常更安全，但也带来了独特的挑战。 在这些电池中，由于阻力增大，离子在固体材料中的移动速度较慢。 为了克服这一问题，钟宇希望创造出一种新型多孔晶体，以促进离子沿着指定的路径移动。 这条通道必须能让锂离子与晶体结构之间的相互作用降到最低，防止离子粘连，从而实现顺畅的移动。 此外，晶体还需要容纳高浓度的离子，以保持高效的导电性。

在学院工程学习计划（Engineering Learning Initiatives）的资助下，王着手设计了一种方法，将两种具有互补形状的偏心分子结构（大环和分子笼）融合在一起。

大环是具有 12 个或更多原子环的分子，而 m分子笼是多环化合物，与其名称大致相同。大环和分子笼都有内在孔隙，离子可以在这些孔隙中停留和通过。将它们用作多孔晶体的构件，晶体就会有很大的空间来存储离子，并有相互连接的通道来传输离子。

王将这些成分融合在一起，中心是一个分子笼，径向连接着三个大环，就像翅膀或手臂。 这些大环笼分子利用氢键和相互交错的形状自组装成更大、更复杂的三维晶体，这种晶体是纳米多孔的，具有一维通道--这是"离子传输的理想通道"--离子导电率高达每厘米8.3×10-4西门子。这种电导率是这些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，需要更好地了解其构成，因此他们与材料科学与工程学教授、09 年博士 Judy Cha 和机械与航空航天工程学助理教授 Jingjie Yeo 合作，前者使用扫描透射电子显微镜探索晶体结构，后者则通过模拟阐明分子与锂离子之间的相互作用。

钟宇说："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能很好地进行离子传输，以及为什么我们能用这种材料获得如此高的电导率。"

除了制造更安全的锂离子电池，这种材料还有可能用于分离水净化过程中的离子和分子，以及制造用于生物电子电路和传感器的离子-电子混合导电结构。

"这种大环笼分子绝对是这个领域的新事物，"钟宇说。"分子笼和大环已经为人所知有一段时间了，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，这还是一个未开发的领域。 现在，我们小组正在研究不同分子的合成，以及如何将它们组装成具有不同几何形状的分子，从而扩大制造新型纳米多孔材料的所有可能性。 也许是为了锂离子导电性，也许是为了许多其他不同的应用。"

编译自/ScitechDaily

DOI: 10.1021/jacs.4c08558