康乃爾大學的技術突破可能會徹底終結電池易爆炸起火的問題
康乃爾大學的研究人員利用大循環和分子籠結構的獨特融合，設計出了突破性的多孔晶體，從而增強了固態電池中的鋰離子傳輸能力。這種新型晶體設計具有一維奈米通道，可顯著提高離子傳導性，有望成為更安全的電池，並有望應用於水淨化和生物電子學領域。
研究人員透過融合兩種扭曲的分子結構，開發了一種能夠吸收鋰離子電解質並透過一維奈米通道順利傳輸的多孔晶體。 這種創新設計可望提高固態鋰離子電池的安全性。團隊的研究成果詳見最近發表在《美國化學學會學報》（Journal of the American Chemical Society）上的論文”Supramolecular Assembly of Fused Macrocycle-Cage Molecules for Fast Lithium-Ion Transport”。 第一作者是24 歲的王宇哲。
該計畫由康乃爾大學工程系材料科學與工程助理教授、論文資深作者鍾宇領導，他的實驗室專門從事”軟”和奈米級材料的合成研究，這些材料可以推動能源儲存和永續發展技術的發展。
兩年前，剛進入康乃爾大學任教的王同學與鍾教授取得了聯繫，王同學是一名本科轉學生，剛上大三，熱衷於研究計畫。
在鐘宇的潛在主題清單上，排在首位的是找到製造更安全鋰離子電池的方法。 在傳統的鋰離子電池中，離子是透過液態電解質流動的。 但液態電解質會在電池的陽極和陰極之間形成尖銳的樹枝狀突起，從而導致電池短路，在極少數情況下還會發生爆炸。
固態電池通常更安全，但也帶來了獨特的挑戰。 在這些電池中，由於阻力增大，離子在固體材料中的移動速度較慢。 為了克服這個問題，鐘宇希望創造出一種新型多孔晶體，以促進離子沿著指定的路徑移動。 這條通道必須能讓鋰離子與晶體結構之間的相互作用降到最低，防止離子黏連，以達到順暢的移動。 此外，晶體還需要容納高濃度的離子，以保持高效的導電性。
在學院工程學習計畫（Engineering Learning Initiatives）的資助下，王著手設計了一種方法，將兩種具有互補形狀的偏心分子結構（大環和分子籠）融合在一起。
大環是具有12 個或更多原子環的分子，而m分子籠是多環化合物，與其名稱大致相同。大環和分子籠都有內在孔隙，離子可以在這些孔隙中停留和通過。將它們用作多孔晶體的構件，晶體就會有很大的空間來儲存離子，並且有相互連接的通道來傳輸離子。
王將這些成分融合在一起，中心是一個分子籠，徑向連接三個大環，就像翅膀或手臂一樣。 這些大環籠分子利用氫鍵和相互交錯的形狀自組裝成更大、更複雜的三維晶體，這種晶體是奈米多孔的，具有一維通道–這是”離子傳輸的理想通道”–離子導電率高達每公分8.3×10-4西門子。這種電導率是這些基於分子的固態鋰離子導電電解質的最高紀錄。
研究人員獲得晶體後，需要更好地了解其組成，因此他們與材料科學與工程學教授、09 年博士Judy Cha 和機械與航空航天工程學助理教授Jingjie Yeo 合作，前者使用掃描透射電子顯微鏡探索晶體結構，後者則透過模擬闡明分子與鋰離子之間的相互作用。
鐘宇說：”因此，將所有的部分結合在一起，我們最終很好地理解了為什麼這種結構能很好地進行離子傳輸，以及為什麼我們能用這種材料獲得如此高的電導率。”
除了製造更安全的鋰離子電池，這種材料還有可能用於分離水淨化過程中的離子和分子，以及製造用於生物電子電路和感測器的離子-電子混合導電結構。
「這種大環籠分子絕對是這個領域的新事物，」鐘宇說。 「分子籠和大環已經為人所知有一段時間了，但如何真正利用這兩種分子的獨特幾何形狀來引導新的、更複雜的結構的自組裝，這還是一個未開發的領域。 現在，我們小組正在研究不同分子的合成，以及如何將它們組裝成具有不同幾何形狀的分子，從而擴大製造新型奈米多孔材料的所有可能性。 。
編譯自/ ScitechDaily