Prin fuzionarea unei perechi de structuri moleculare contorsionate, cercetătorii de la Cornell au creat un cristal poros care poate prelua electroliții cu ioni de litiu și îi poate transporta fără probleme prin nanocanale unidimensionale – un design care ar putea duce la baterii litiu-ion cu stare solidă mai sigure.
O lucrare despre acest lucru este publicată în Journal of the American Chemical Society .
Proiectul a fost condus de Yu Zhong, profesor asistent de știința materialelor și inginerie la Cornell Engineering și autorul principal al lucrării, al cărui laborator este specializat în sintetizarea materialelor „moale” și la scară nanometrică care pot avansa tehnologiile de stocare a energiei și durabilitate.
În bateriile convenționale cu litiu-ion, ionii sunt transportați prin intermediul electroliților lichizi. Dar electroliții lichizi pot forma dendrite înțepătoare între anodul și catodul bateriei, care scurtează bateria sau, în cazuri rare, explodează.
O baterie cu stare solidă ar fi mai sigură, dar asta vine cu propriile provocări. Ionii se deplasează mai lent prin solide, deoarece se confruntă cu mai multă rezistență. Zhong a vrut să proiecteze un nou cristal care să fie suficient de poros încât ionii să se poată deplasa printr-un fel de cale. Această cale ar trebui să fie netedă, cu interacțiuni slabe între ionii de litiu și cristal, astfel încât ionii să nu se lipească. Și cristalul ar trebui să rețină destui ioni pentru a asigura o concentrație mare de ioni.
Echipa a conceput o metodă de fuziune a două structuri moleculare excentrice care au forme complementare: macrocicluri și cuști moleculare. Macrociclurile sunt molecule cu inele de 12 sau mai mulți atomi, iar cuștile moleculare sunt compuși cu mai multe inele care seamănă mai mult sau mai puțin cu numele lor.
Atât macrociclurile, cât și cuștile moleculare au pori intrinseci prin care ionii pot sta și pot trece. Folosindu-le ca blocuri de construcție pentru cristalele poroase, cristalul ar avea spații mari pentru stocarea ionilor și canale interconectate pentru transportul ionilor.
Wang a fuzionat componentele împreună, cu o cușcă moleculară în centru și trei macrocicluri atașate radial, precum aripi sau brațe. Aceste molecule de macrociclu-cușcă folosesc legături de hidrogen și formele lor interconectate pentru a se autoasambla în cristale tridimensionale mai mari, mai complicate, care sunt nanoporoase, cu canale unidimensionale – „calea ideală pentru transportul ionului”, potrivit Zhong. —care realizează o conductivitate ionică de până la 8,3 × 10 -4 siemens pe centimetru.
Această conductivitate este record pentru acești electroliți conducători de ioni de litiu pe bază de molecule.
— Yu Zhong
În plus față de fabricarea bateriilor litiu-ion mai sigure, materialul ar putea fi, de asemenea, potențial utilizat pentru a separa ionii și moleculele în purificarea apei și pentru a face structuri mixte conducătoare de ioni-electroni pentru circuite și senzori bioelectronici.
Această moleculă de macrociclu-cușcă este cu siguranță ceva nou în această comunitate. Cușca moleculară și macrociclul sunt cunoscute de ceva vreme, dar modul în care puteți folosi cu adevărat geometria unică a acestor două molecule pentru a ghida auto-asamblarea unor structuri noi și mai complicate este un fel de zonă neexplorată. Acum, în grupul nostru, lucrăm la sinteza diferitelor molecule, cum le putem asambla și face o moleculă cu o geometrie diferită, astfel încât să putem extinde toate posibilitățile de a face noi materiale nanoporoase. Poate este pentru conductivitatea litiu-ion sau poate chiar pentru multe alte aplicații diferite.
— Yu Zhong
Cercetarea a fost susținută de Cornell Engineering’s Engineering Learning Initiatives.
Cercetătorii au folosit Centrul Cornell pentru Cercetarea Materialelor și Centrul de Știință și Inginerie de Cercetare a Materialelor de la Universitatea Columbia, ambele fiind finanțate de programul Centrului de Cercetare și Inginerie a Materialelor al Fundației Naționale pentru Știință.
