近日，我校材料科学与工程学部朱满洲教授、康熙教授、朱凌云教授以及重庆大学唐青教授展开合作，发展了团簇晶体工程，构建了系列团簇二维晶态材料用作新型锂离子固态电池电解质，点亮了安徽大学灯牌（图1）。相关工作以“Atomically defined two-dimensional assembled nanoclusters for Li-ion batteries”为题在国际顶级期刊《Nature Synthesis》上在线发表（DOI：10.1038/s44160-025-00852-1）。安徽大学博士后魏肖和重庆大学博士生黄周为论文共同第一作者；安徽大学朱满洲教授、康熙教授、朱凌云教授以及重庆大学唐青教授为共同通讯作者，安徽大学为第一通讯单位。该工作系我校金属团簇研究团队继2023年在《Science》发表重要研究成果后，在团簇应用研究领域取得的又一重大突破性进展，有力推动了我校“材料科学与工程”双一流学科的深化建设。
图1. 团簇二维晶态材料用作固态电池电解质
晶体工程作为现代材料设计的核心技术，为功能材料定制与高端器件开发提供了关键手段。基于氢键、范德华力等弱相互作用的晶态超分子组装技术虽能构建有序结构，但在晶体填充模式调控和长期稳定性上面临重大挑战。作用力更强的共价键或配位键的引入可以提供更可靠的结构调控能力和稳定性。因此，开发新策略以平衡分子间强/弱相互作用力，定制功能导向的多模式组装材料是材料化学研究领域的重要科学问题。
作为原子精确材料的重要组成部分，金属团簇的自适应表面环境使其多维组装结构的定向设计成为可能。二维材料体现出卓越的电化学性能，在能源领域展现出独特的应用前景。然而，团簇晶态组装多集中在零维或三维组装模式，其二维组装极具挑战性，这主要是因为二维组装需要在维持团簇平面配位模式的同时克服其分子高表面能。针对此，研究团队发展了“团簇分子-碱金属离子-溶剂分子协同导向”策略，克服了团簇二维材料表面能高、难以维持平面性的难题。团队以Ag29为金属团簇模板，通过磷配体定向羧基化使团簇与碱金属离子及溶剂分子进行平面化相互作用，制备了系列团簇基二维晶态组装材料，并分析了其二维组装拓扑学。所构建的Ag29团簇二维晶态组装材料具有结构精确、孔隙可调、离子可导等特点，通过调控碱金属和溶剂分子类型可对其拓扑结构、层间距、孔隙率进行精准控制。分子动力学模拟表明，分子层面锂离子与羧基的弱配位作用以及超分子层面二维材料层间载流子迁移通道是其高迁移率的关键，如同“离子海绵”实现了锂离子的快速稳定-脱附平衡。使用此“团簇基离子海绵”作为高效电解质，室温离子电导率达到2.8×10-4 S cm-1，锂离子迁移数为0.70，且由此电解质构建的锂离子全电池展现出较高的电化学稳定性。该研究不仅为金属团簇组装材料的定向设计提供了新思路，也为电解质领域的发展提供了新的材料基础。