康奈爾大學的研究人員通過結合大循環(huán)和分子籠結構的獨特設計，開發(fā)出了一種創(chuàng)新的多孔晶體。這種材料顯著提升了固態(tài)電池中鋰離子的傳輸效率。 新設計的晶體以一維納米通道為特色，大幅增強了導電性，不僅有望提供更加安全的電池解決方案，還在水凈化和生物電子學領域展現(xiàn)出潛在應用價值。 通過整合兩種扭曲的分子構造，研究團隊成功創(chuàng)造了一種新型多孔晶體，該晶體能夠有效吸收鋰離子電解質，并通過一維納米通道實現(xiàn)順暢傳輸。此創(chuàng)新性的設計對于提高固態(tài)鋰離子電池的安全性具有重要意義。 這項研究成果被詳細記錄于近期發(fā)表在《美國化學學會雜志》上的論文《用于快速鋰離子傳輸?shù)娜廴诖蟓h(huán)籠分子的超分子組裝》中。第一作者為王玉哲（音譯）。 該項目由康奈爾大學工程學院材料科學與工程助理教授、同時也是論文主要指導者的鐘宇（音譯）領導完成。他的實驗室專注于開發(fā)可推動能源存儲技術進步及促進可持續(xù)發(fā)展目標實現(xiàn)的柔軟與納米級材料。 當王玉哲作為一名大三轉校生加入康奈爾大學時，他很快就與對探索更安全鋰離子電池制造方法充滿興趣的鐘宇取得了聯(lián)系。追求更安全可靠的儲能技術在眾多研究課題之中，尋找一種能夠顯著提升鋰離子電池安全性的方法始終是鐘宇最為關注的一個問題。傳統(tǒng)液態(tài)電解質雖然允許離子自由移動，但也容易形成導致短路甚至爆炸風險的樹狀突起物。相比之下，固態(tài)電池因其更高的穩(wěn)定性受到青睞，但如何確保離子在其中高效流動仍是挑戰(zhàn)之一。為此，鐘宇希望構建一個新型多孔晶體系統(tǒng)，它既能支持快速的鋰離子遷移又能減少不必要的相互作用。創(chuàng)新融合帶來突破得益于工程學院的支持，王玉哲開始了他的工作，并巧妙地將兩個形狀互補的偏心分子——大環(huán)和分子籠結合在一起。這兩種元素本身都具備一定的空間空隙，非常適合作為鋰離子停留或穿過的理想場所。 “大環(huán)和分子籠都具有天然存在的空洞結構，”王玉哲解釋道，“利用它們作為構成多孔晶體的基礎單元，我們可以創(chuàng)造出既擁有廣闊內部空間又設有專門通道供離子通行的整體架構。”創(chuàng)紀錄的高電導性能根據設計方案，每個復合體包含一個中心位置的分子籠以及三個向外輻射排列的大環(huán)，它們通過氫鍵連接成更大更復雜的三維網絡狀結構。這一獨特配置使得最終產品達到了前所未有的高離子導電率水平。 “這是迄今為止我們在分子基礎上制備出的固態(tài)鋰離子導體所能達到的最佳表現(xiàn)之一，”鐘宇表示。深入理解機制以拓展更多可能為了全面掌握新材料的特性，研究小組還與材料科學領域的專家合作進行了詳盡的實驗分析。“通過綜合所有信息，我們現(xiàn)在可以清晰地解釋為什么這種特殊的幾何形態(tài)如此有利于離子傳輸，并且明白了為何采用這種材料可以獲得如此優(yōu)異的性能表現(xiàn)。” 除了改善現(xiàn)有鋰離子電池之外，這種新型晶體還有望應用于諸如水處理過程中特定成分選擇性分離以及開發(fā)混合型離子/電子傳輸介質等領域。開啟未來應用場景的大門“大環(huán)籠分子的概念對于我們來說是全新嘗試，”鐘宇補充道，“盡管之前已有關于大環(huán)與分子籠各自的研究報道，但如何充分利用它們各自獨有的形態(tài)特征來指導復雜結構的自組裝過程卻鮮有人涉足。目前，我們正積極探索更多類型的分子組合方式，旨在創(chuàng)造多樣化的功能化納米孔隙材料。這些努力或許不僅能服務于鋰離子電池行業(yè)的進步，也可能為其他多個高科技領域帶來革命性的變化。”