Naukowcy z Uniwersytetu Illinois Urbana-Champaign opracowali elektrolity polimerowe o spiralnej strukturze, które wykazują doskonałą przewodność i stabilność w porównaniu z tradycyjnymi strukturami „losowych cewek”. Te spiralne polimery zwiększają wydajność akumulatorów półprzewodnikowych i są przyjazne dla środowiska, ponieważ po ich okresie użytkowania można je rozłożyć i poddać recyklingowi.
Naukowcy od dziesięcioleci badają elektrolity półprzewodnikowe jako potencjalne składniki systemów magazynowania energii, szczególnie na potrzeby opracowywania akumulatorów półprzewodnikowych. Materiały te stanowią bezpieczniejszą alternatywę dla tradycyjnego ciekłego elektrolitu – rozwiązania umożliwiającego przemieszczanie się jonów w ogniwie – stosowanego obecnie w akumulatorach. Potrzebne są jednak nowe koncepcje, aby zwiększyć wydajność obecnych stałych elektrolitów polimerowych w materiałach nowej generacji.
Badacze zajmujący się materiałoznawstwem i inżynierią na Uniwersytecie Illinois Urbana-Champaign zbadali rolę spiralnej struktury drugorzędowej na przewodność elektrolitów z polimerów peptydowych w stanie stałym i odkryli, że struktura spiralna wykazuje znacznie lepszą przewodność w porównaniu z odpowiednikami z „cewką losową”. Odkryli również, że dłuższe helisy prowadzą do wyższej przewodności, a struktura helikalna zwiększa ogólną stabilność materiału w zakresie temperatury i napięcia.
„Wprowadziliśmy koncepcję wykorzystania struktury drugorzędnej — helisy — do zaprojektowania i udoskonalenia podstawowej właściwości materiału, jaką jest przewodność jonowa w materiałach stałych”, mówi profesor Chris Evans, który kierował tymi pracami. „To ta sama helisa, którą można znaleźć w peptydach w biologii, używamy jej po prostu z powodów niebiologicznych”.
Udoskonalenia dzięki strukturom śrubowym
Polimery mają tendencję do przyjmowania konfiguracji losowych, ale szkielet polimeru można kontrolować i projektować tak, aby tworzył strukturę helikalną, np. DNA. W rezultacie polimer będzie miał moment makrodipolowy – separację ładunków dodatnich i ujemnych na dużą skalę. Wzdłuż długości helisy małe momenty dipolowe każdej pojedynczej jednostki peptydowej sumują się, tworząc makrodipol, co zwiększa zarówno przewodność, jak i stałą dielektryczną – miarę zdolności materiału do magazynowania energii elektrycznej – całej struktury i poprawia transport ładunku. Im dłuższy peptyd, tym wyższa przewodność helisy.
Evans dodaje: „Te polimery są znacznie bardziej stabilne niż typowe polimery — helisa jest bardzo solidną strukturą. Można przejść do wysokich temperatur lub napięć w porównaniu z polimerami o losowej cewce i nie ulega degradacji ani nie traci helisy. Nie widzimy żadnych dowodów na to, że polimer rozpada się, zanim tego chcemy”.
Ponadto, ponieważ materiał jest wykonany z peptydów, można go z powrotem rozłożyć na pojedyncze jednostki monomeru za pomocą enzymów lub kwas gdy akumulator uległ uszkodzeniu lub osiągnął kres swojej żywotności. Materiały wyjściowe można odzyskać i ponownie wykorzystać po procesie separacji, zmniejszając jego wpływ na środowisko.
Odniesienie: „Spiralna struktura peptydu poprawia przewodność i stabilność stałych elektrolitów” autorstwa Yingying Chen, Tianrui Xue, Chen Chen, Seongon Jang, Paul V. Braun, Jianjun Cheng i Christopher M. Evans, 6 sierpnia 2024 r., Materiały natury.
DOI: 10.1038/s41563-024-01966-1
Badania te zostały sfinansowane przez amerykańską National Science Foundation oraz przez Departament Energii Stanów Zjednoczonych, Biuro Nauk Podstawowych, Wydział Nauki o Materiałach i Inżynierii.
