高能量密度可充电电池超分子化学的展望

硅负极、锂金属负极和硫正极由于其理论比容量极高而受到广泛的研究关注。

然而，这些电极材料存在一些固有的缺点，例如Si巨大的体积变化，Li金属的不可控锂枝晶生长，以及可溶性多硫化锂的形成和伴随的穿梭效应。鉴于它们在循环期间体积，电极形态和溶解度方面的重大结构性变化，这些问题非常难以用常规方法解决。因此，要电极设计的范式转换，使得电极组件能够以更积极有效的方式响应这些结构变化。

在生物系统中，超分子化学和机械立体化学在保持生物分子的结构完整性方面发挥着重要的用途。通过超分子相互用途的实现，可以实现诸如细胞自我修复和抗原抗体反应等生命维系功能。因为同生物系统相同，电极的结构完整性关于维持电池系统的循环寿命是至关重要的，所以可以从生物系统中借鉴许多有价值的观点来解决与锂离子电池中的高能量密度电极相关的挑战。

另一方面，各种宏观机器被用来简单的改变力的方向，但也可以同时传递和修改力和扭矩，因此与初始输入力相比，输出力可以放大到更高的水平，即机械优势（如滑轮和液压千斤顶）。当这些宏观机器被转化为纳米级分子机器同时保留其功能时，它们可以用来解决电池系统中的一些问题，例如机械应力的累积，这是由最近对基于聚轮烷粘合剂的Si微粒负极的分子滑轮的研究所证实的。因此，超分子化学和机械立体化学都将成为储能领域的关键要素。

近日，韩国首尔国立大学Jang Wook Choi教授和瑞士弗里堡大学Ali Coskun教授（共同通讯作者）等人在Joule上发表题为“Prospect for Supramolecular Chemistryin High-Energy-DensityRegeableBatteries”的文章。文章重点介绍了超分子化学和机械连锁分子在新兴电池系统中的应用概念，即Si负极，Li金属负极和硫正极。

尽管在这三个电极中发生的现象是完全不同的，但它们的容量衰减的潜在原因通常与电极组件之间的相互用途有关。关于Si负极，由大量Si体积变化引起的机械应力和应变破坏了粘合剂-粘合剂和粘合剂-Si之间的相互用途，从而使电极材料分层并导致颗粒粉碎以及SEI层的不受控制的生长，导致严重的容量衰减。因此，最重要的是引入自我修复效果和消除机械应力，并将粉碎的颗粒保持在一起，这可以通过超分子化学和机械立体化学实现。关于Li金属负极，枝晶生长的驱动力是Li+与集中在Li金属表面上的自由电子之间的静电相互用途。这意味着可以利用许多超分子相互用途来干预Li+和自由电子之间的相互用途以控制Li金属的生长动力学。

最后，关于硫正极，中间硫物质溶解到电解质中，即多硫化物穿梭，是导致显着容量衰减的有害过程。因此，期望设计与多硫化物具有强相互用途的电极材料。评估了各种材料在软硬酸和碱（HSAB）理论中缓解多硫化物穿梭的潜力，作为筛选强相互用途的指南，并且还提出了与硫正极孔隙度相关的结构策略。