康奈爾大學(xué)的研究人員通過結(jié)合大循環(huán)和分子籠結(jié)構(gòu)的獨(dú)特設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)的晶體以一維納米通道為特色，大幅增強(qiáng)了導(dǎo)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(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出潛在應(yīng)用價(jià)值。 通過整合兩種扭曲的分子構(gòu)造，研究團(tuán)隊(duì)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(zhì)，并通過一維納米通道實(shí)現(xiàn)順暢傳輸。此創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)對(duì)于提高固態(tài)鋰離子電池的安全性具有重要意義。 這項(xiàng)研究成果被詳細(xì)記錄于近期發(fā)表在《美國化學(xué)學(xué)會(huì)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(xiàng)目由康奈爾大學(xué)工程學(xué)院材料科學(xué)與工程助理教授、同時(shí)也是論文主要指導(dǎo)者的鐘宇（音譯）領(lǐng)導(dǎo)完成。他的實(shí)驗(yàn)室專注于開發(fā)可推動(dòng)能源存儲(chǔ)技術(shù)進(jìn)步及促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的柔軟與納米級(jí)材料。 當(dāng)王玉哲作為一名大三轉(zhuǎn)校生加入康奈爾大學(xué)時(shí)，他很快就與對(duì)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(chǔ)能技術(shù)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(guān)注的一個(gè)問題。傳統(tǒng)液態(tài)電解質(zhì)雖然允許離子自由移動(dòng)，但也容易形成導(dǎo)致短路甚至爆炸風(fēng)險(xiǎn)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(dòng)仍是挑戰(zhàn)之一。為此，鐘宇希望構(gòu)建一個(gè)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(xué)院的支持，王玉哲開始了他的工作，并巧妙地將兩個(gè)形狀互補(bǔ)的偏心分子——大環(huán)和分子籠結(jié)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(chǎng)所。 “大環(huán)和分子籠都具有天然存在的空洞結(jié)構(gòu)，”王玉哲解釋道，“利用它們作為構(gòu)成多孔晶體的基礎(chǔ)單元，我們可以創(chuàng)造出既擁有廣闊內(nèi)部空間又設(shè)有專門通道供離子通行的整體架構(gòu)。”創(chuàng)紀(jì)錄的高電導(dǎo)性能根據(jù)設(shè)計(jì)方案，每個(gè)復(fù)合體包含一個(gè)中心位置的分子籠以及三個(gè)向外輻射排列的大環(huán)，它們通過氫鍵連接成更大更復(fù)雜的三維網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)。這一獨(dú)特配置使得最終產(chǎn)品達(dá)到了前所未有的高離子導(dǎo)電率水平。 “這是迄今為止我們?cè)诜肿踊A(chǔ)上制備出的固態(tài)鋰離子導(dǎo)體所能達(dá)到的最佳表現(xiàn)之一，”鐘宇表示。深入理解機(jī)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(xué)領(lǐng)域的專家合作進(jìn)行了詳盡的實(shí)驗(yàn)分析?！巴ㄟ^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(yīng)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(zhì)等領(lǐng)域。開啟未來應(yīng)用場(chǎng)景的大門“大環(huán)籠分子的概念對(duì)于我們來說是全新嘗試，”鐘宇補(bǔ)充道，“盡管之前已有關(guān)于大環(huán)與分子籠各自的研究報(bào)道，但如何充分利用它們各自獨(dú)有的形態(tài)特征來指導(dǎo)復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(wù)于鋰離子電池行業(yè)的進(jìn)步，也可能為其他多個(gè)高科技領(lǐng)域帶來革命性的變化。”