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康奈尔大学的突破可能意味着电池爆炸时代的终结
诸平
据美国康奈尔大学（Cornell University, Ithaca, New York, United States）2024年11月4日提供的消息，康奈尔大学的突破可能意味着电池爆炸时代的终结（Cornell’s Breakthrough Could Mean the End of Exploding Batteries）。
美国康奈尔大学等与中国杭州西湖大学（Westlake University, Hangzhou, Zhejiang, China）的研究人员合作，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，美中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。该团队的研究结果于2024年9月9日已经在《美国化学学会杂志》（Journal of the American Chemical Society）网站发表——Yuzhe Wang, Kaiyang Wang, Qing Ai, Stephen D. Funni, Ashutosh Garudapalli, Qiyi Fang, Suin Choi, Gangbin Yan, Shayan Louie, Chong Liu, Jun Lou, Judy J. Cha, Jingjie Yeo, Zexin Jin, Yu Zhong. Supramolecular Assembly of Fused Macrocycle-Cage Molecules for Fast Lithium-Ion Transport. Journal of the American Chemical Society, 2024, 146(37): 25433–25438. DOI: 10.1021/jacs.4c08558. Published September 9, 2024. https://doi.org/10.1021/jacs.4c08558
参与此项研究的除了来自美国康奈尔大学的研究人员之外，还有来自美国莱斯大学（Rice University, Houston, Texas, United States）、美国芝加哥大学（University of Chicago, Chicago, Illinois, United States）、美国哥伦比亚大学（Columbia University, New York, New York, United States）以及中国西湖大学（Westlake University, Hangzhou, Zhejiang, China）的研究人员。
该项目由康奈尔大学工程学院材料科学与工程助理教授、论文通讯作者钟宇( Yu Zhong音译)领导，他的实验室专门研究可以推进能源储存和可持续性技术的软材料和纳米材料的合成。
两年前，钟宇刚加入康奈尔大学，就被王玉哲（Yuzhe Wang音译）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（Designing Safer Lithium-Ion Batteries）
在钟宇的潜在课题清单中，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正极和负极之间形成尖状的枝晶，这会使电池短路，甚至在极少数情况下还会爆炸。
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，钟宇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移动。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，晶体还需要可以容纳高浓度的离子以保持有效的导电性。
创新分子融合（Innovative Molecular Fusion）
在学院工程学习计划（Engineering Learning Initiatives）的资助下，王玉哲开始着手工作，并设计了一种方法，将两个具有互补形状的偏心分子——大环（macrocycles）和分子笼（molecular cages）——结构融合在一起。大环分子（Macrocycles）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。
王玉哲说：“大环和分子笼都有内在的孔隙，离子可以在这些孔隙中停留和通过。通过使用它们作为多孔晶体的构建块，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（Achieving Record High Ionic Conductivity）
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。这些大环笼分子利用氢键和它们的互锁形状自组装成更大、更复杂的三维纳米孔晶体，一维通道是“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（8.3 × 10-4 siemens/cm）。
钟宇说：“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。”
详细的结构分析和应用（Detailed Structural Analysis and Applications）
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，他的模拟澄清了融合分子和锂离子之间的相互作用。
“因此，把所有的结果拼在一起，我们最终不难理解，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（mixed ion-electron-conducting structures）。
探索未来应用（Exploring Future Applications）
钟宇说：“这种大环笼分子绝对是这个领域的新事物。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指导新的、更复杂的结构的自组装，这是一个尚未探索的领域。现在，在我们的小组里，我们正在研究不同分子的合成，我们如何将它们组装起来，使分子具有不同的几何形状，这样我们就可以扩大制造新的纳米多孔材料的所有可能性。也许是为了锂离子的导电性，也许是为了许多其他不同的应用。”
这项研究得到了康奈尔大学工程学院“工程学习计划”(Cornell Engineering’s Engineering Learning Initiatives)的支持。
上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。
Fused molecules are building blocks for safer lithium-ion batteries
We report a new supramolecular porous crystal assembled from fused macrocycle-cage molecules. The molecule comprises a prismatic cage with three macrocycles radially attached. The molecules form a nanoporous crystal with one-dimensional (1D) nanochannels. The supramolecular porous crystal can take up lithium-ion electrolytes and achieve an ionic conductivity of up to 8.3 × 10–4 S/cm. Structural analysis and density functional theory calculations reveal that efficient Li-ion electrolyte uptake, the presence of 1D nanochannels, and weak interactions between lithium ions and the crystal enable fast lithium-ion transport. Our findings demonstrate the potential of fused macrocycle-cage molecules as a new design motif for ion-conducting molecular crystals.
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