近日，安徽大學教授朱滿洲、康熙、朱凌云以及重慶大學教授唐青展開合作，發展了團簇晶體工程，構建了系列團簇二維晶態材料用作新型鋰離子固態電池電解質，點亮了安徽大學燈牌。8月18日，相關工作在線發表于《自然-合成》。
團簇二維晶態材料用作固態電池電解質。安徽大學供圖
晶體工程作為現代材料設計的核心技術，為功能材料定制與高端器件開發提供了關鍵手段。基于氫鍵、范德華力等弱相互作用的晶態超分子組裝技術雖能構建有序結構，但在晶體填充模式調控和長期穩定性上面臨重大挑戰。作用力更強的共價鍵或配位鍵的引入可以提供更可靠的結構調控能力和穩定性。因此，開發新策略以平衡分子間強/弱相互作用力，定制功能導向的多模式組裝材料是材料化學研究領域的重要科學問題。
作為原子精確材料的重要組成部分，金屬團簇的自適應表面環境使其多維組裝結構的定向設計成為可能。二維材料體現出卓越的電化學性能，在能源領域展現出獨特的應用前景。然而，團簇晶態組裝多集中在零維或三維組裝模式，其二維組裝極具挑戰性。
此次工作中，研究團隊發展了“團簇分子-堿金屬離子-溶劑分子協同導向”策略，克服了團簇二維材料表面能高、難以維持平面性的難題。團隊以原子級別精確的金屬團簇為模板，通過磷配體定向羧基化使團簇與堿金屬離子及溶劑分子進行平面化相互作用，制備了系列團簇基二維晶態組裝材料，其具有結構精確、孔隙可調、離子可導等特點。分子動力學模擬表明，分子層面鋰離子與羧基的弱配位作用以及超分子層面二維材料層間載流子遷移通道是其高遷移率的關鍵，如同“離子海綿”實現了鋰離子的快速穩定-脫附平衡。使用此“團簇基離子海綿”作為高效電解質，室溫離子電導率達到每厘米2.8乘以10的負4次方西門子，鋰離子遷移數為0.70，且由此電解質構建的鋰離子全電池展現出較高的電化學穩定性。
研究人員介紹，該研究不僅為金屬團簇組裝材料的定向設計提供了新思路，也為電解質領域的發展提供了新的材料基礎。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s44160-025-00852-1