熔融分子可以作为更安全的锂离子电池的构建块

通过将一对扭曲的分子结构融合在一起，康奈尔大学的研究人员创造了一种多孔晶体，可以吸收锂离子电解质并通过一维纳米通道平稳地运输它们——这种设计可能会导致更安全的固态锂离子电池

该团队的论文“用于快速锂离子传输的熔融大环笼分子的超分子组装”发表在《美国化学学会杂志》上。主要作者是王玉哲

该项目由康奈尔大学工程学院材料科学与工程助理教授、该论文的资深作者于忠领导，他的实验室专门合成可以推进储能和可持续发展技术的软质和纳米级材料

两年前，钟刚加入康奈尔大学，王就联系了他。王是一名大三的本科生转学生，他热衷于承担一个研究项目

在钟的潜在主题列表中，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穿梭。但是液体电解质可以在电池的阳极和阴极之间形成尖刺的树枝状晶体，这会使电池短路，或者在极少数情况下发生爆炸

固态电池会更安全，但这也有其自身的挑战。离子在固体中移动较慢，因为它们面临更大的阻力。钟想设计一种新的晶体，这种晶体具有足够的多孔性，离子可以通过某种途径移动。该途径需要是平滑的，锂离子和晶体之间的相互作用较弱，这样离子就不会粘附。晶体需要容纳足够的离子以确保高离子浓度

王开始工作，设计了一种将两种形状互补的偏心分子结构融合在一起的方法：大环和分子笼。大环是具有12个或更多原子环的分子，分子笼是或多或少类似于其名称的多环化合物

王说：“大环和分子笼都有内在的孔，离子可以坐在那里通过。”。“通过将它们用作多孔晶体的构建块，晶体将有很大的空间来储存离子，并有相互连接的通道供离子运输。”王将这些组件融合在一起，中心有一个分子笼，三个大环径向连接，如翅膀或手臂。这些大环笼分子利用氢键及其相互连接的形状自组装成更大、更复杂的三维晶体，这些晶体是纳米多孔的，具有一维通道——据钟说，这是“离子传输的理想途径”——离子电导率高达每厘米8.3×10-4西门子

钟说：“这种电导率是这些基于分子的固态锂离子导电电解质的历史最高值。”

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博士和机械与航空航天工程助理教授Jingjie Yeo合作，前者使用扫描透射电子显微镜来探索它的结构，后者的模拟阐明了分子与锂离子之间的相互作用

Zhong说：“因此，将所有部分放在一起，我们最终很好地理解了为什么这种结构对离子传输真的很好，以及为什么我们用这种材料获得了如此高的电导率。”

除了制造更安全的锂离子电池外，这种材料还可以用于在水净化中分离离子和分子，并为生物电子电路和传感器制造混合离子电子传导结构

“这种大环笼分子在这个社区中绝对是新的，”钟说。“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个分子的独特几何形状来指导新的、更复杂的结构的自组装是一个尚未探索的领域。

”现在在我们的团队中，我们正在研究不同分子的合成，如何组装它们并制造具有不同几何形状的分子，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。也许是为了锂离子导电性，甚至可能是为了许多其他不同的应用。“

合著者包括博士生王开阳；硕士生Ashutosh Garudapalli；博士后研究员Stephen Funni和Qiyi Fang；以及莱斯大学、芝加哥大学和哥伦比亚大学的研究人员