康奈尔大学的研究人员通过结合大循环和分子笼结构的独特设计，开发出了一种创新的多孔晶体。这种材料显著提升了固态电池中锂离子的传输效率。 新设计的晶体以一维纳米通道为特色，大幅增强了导电性，不仅有望提供更加安全的电池解决方案，还在水净化和生物电子学领域展现出潜在应用价值。 通过整合两种扭曲的分子构造，研究团队成功创造了一种新型多孔晶体，该晶体能够有效吸收锂离子电解质，并通过一维纳米通道实现顺畅传输。此创新性的设计对于提高固态锂离子电池的安全性具有重要意义。 这项研究成果被详细记录于近期发表在《美国化学学会杂志》上的论文《用于快速锂离子传输的熔融大环笼分子的超分子组装》中。第一作者为王玉哲（音译）。 该项目由康奈尔大学工程学院材料科学与工程助理教授、同时也是论文主要指导者的钟宇（音译）领导完成。他的实验室专注于开发可推动能源存储技术进步及促进可持续发展目标实现的柔软与纳米级材料。 当王玉哲作为一名大三转校生加入康奈尔大学时，他很快就与对探索更安全锂离子电池制造方法充满兴趣的钟宇取得了联系。追求更安全可靠的储能技术在众多研究课题之中，寻找一种能够显著提升锂离子电池安全性的方法始终是钟宇最为关注的一个问题。传统液态电解质虽然允许离子自由移动，但也容易形成导致短路甚至爆炸风险的树状突起物。相比之下，固态电池因其更高的稳定性受到青睐，但如何确保离子在其中高效流动仍是挑战之一。为此，钟宇希望构建一个新型多孔晶体系统，它既能支持快速的锂离子迁移又能减少不必要的相互作用。创新融合带来突破得益于工程学院的支持，王玉哲开始了他的工作，并巧妙地将两个形状互补的偏心分子——大环和分子笼结合在一起。这两种元素本身都具备一定的空间空隙，非常适合作为锂离子停留或穿过的理想场所。 “大环和分子笼都具有天然存在的空洞结构，”王玉哲解释道，“利用它们作为构成多孔晶体的基础单元，我们可以创造出既拥有广阔内部空间又设有专门通道供离子通行的整体架构。”创纪录的高电导性能根据设计方案，每个复合体包含一个中心位置的分子笼以及三个向外辐射排列的大环，它们通过氢键连接成更大更复杂的三维网络状结构。这一独特配置使得最终产品达到了前所未有的高离子导电率水平。 “这是迄今为止我们在分子基础上制备出的固态锂离子导体所能达到的最佳表现之一，”钟宇表示。深入理解机制以拓展更多可能为了全面掌握新材料的特性，研究小组还与材料科学领域的专家合作进行了详尽的实验分析。“通过综合所有信息，我们现在可以清晰地解释为什么这种特殊的几何形态如此有利于离子传输，并且明白了为何采用这种材料可以获得如此优异的性能表现。” 除了改善现有锂离子电池之外，这种新型晶体还有望应用于诸如水处理过程中特定成分选择性分离以及开发混合型离子/电子传输介质等领域。开启未来应用场景的大门“大环笼分子的概念对于我们来说是全新尝试，”钟宇补充道，“尽管之前已有关于大环与分子笼各自的研究报道，但如何充分利用它们各自独有的形态特征来指导复杂结构的自组装过程却鲜有人涉足。目前，我们正积极探索更多类型的分子组合方式，旨在创造多样化的功能化纳米孔隙材料。这些努力或许不仅能服务于锂离子电池行业的进步，也可能为其他多个高科技领域带来革命性的变化。”