Naukowcy z Cornell opracowali przełomowy porowaty kryształ, wykorzystując unikalną fuzję struktur makrocyklicznych i klatek molekularnych, usprawniając transport litowo-jonowy w akumulatorach półprzewodnikowych.
Ta nowa konstrukcja kryształu obejmuje jednowymiarowe nanokanały, które znacznie zwiększają przewodność jonów, co stanowi obietnicę bezpieczniejszych akumulatorów i ma potencjalne zastosowania w oczyszczaniu wody i bioelektronice.
Łącząc dwie wykrzywione struktury molekularne, naukowcy z Cornell opracowali porowaty kryształ zdolny do absorbowania elektrolitów litowo-jonowych i płynnego transportowania ich przez jednowymiarowe nanokanały. Ta innowacyjna konstrukcja może zwiększyć bezpieczeństwo półprzewodnikowych akumulatorów litowo-jonowych.
Odkrycia zespołu szczegółowo opisano w artykule „Supramolecular Assembly of Fused Macrocycle-Cage Molecules for Fast Lithium-Ion Transport”, opublikowanym niedawno w czasopiśmie Dziennik Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego. Głównym autorem jest Yuzhe Wang ’24.
Projektem kierował Yu Zhong, adiunkt nauk o materiałach i inżynierii w Cornell Engineering oraz główny autor artykułu, którego laboratorium specjalizuje się w syntezie „miękkich” i nanoskala materiały, które mogą udoskonalić technologie magazynowania energii i zrównoważonego rozwoju.
Zhong dołączył do wydziału Cornella dwa lata temu, kiedy skontaktował się z nim Wang, student transferowy rozpoczynający drugi rok studiów, który był entuzjastycznie nastawiony do podjęcia się projektu badawczego.
Projektowanie bezpieczniejszych baterii litowo-jonowych
Na szczycie listy potencjalnych tematów Zhonga znajdowało się znalezienie sposobu na stworzenie bezpieczniejszej baterii litowo-jonowej. W konwencjonalnych akumulatorach litowo-jonowych jony są transportowane za pośrednictwem ciekłych elektrolitów. Jednak ciekłe elektrolity mogą tworzyć kolczaste dendryty pomiędzy anodą a katodą akumulatora, co powoduje zwarcie akumulatora lub, w rzadkich przypadkach, eksplozję.
Baterie półprzewodnikowe są ogólnie bezpieczniejsze, ale stwarzają również wyjątkowe wyzwania. W tych akumulatorach jony przemieszczają się wolniej przez materiały stałe ze względu na zwiększony opór. Aby przezwyciężyć ten problem, Zhong postanowił stworzyć nowy typ porowatego kryształu, który mógłby ułatwić ruch jonów wzdłuż wyznaczonej ścieżki. Ścieżka ta musiała umożliwiać płynną podróż przy minimalnej interakcji między jonami litu a strukturą kryształu, zapobiegając przywieraniu jonów. Ponadto kryształ musiał dostosować się do wysokiego stężenia jonów, aby utrzymać wydajną przewodność.
Innowacyjna fuzja molekularna
Dzięki grantowi z uczelni Engineering Learning Initiatives Wang wziął się do pracy i opracował metodę łączenia dwóch ekscentrycznych struktur molekularnych o uzupełniających się kształtach: makrocykli i klatek molekularnych.
Makrocykle to cząsteczki z pierścieniami składającymi się z 12 lub więcej atomów i mklatki molekularne to związki wielopierścieniowe, które mniej więcej przypominają swoją nazwę.
„Zarówno makrocykle, jak i klatki molekularne mają wewnętrzne pory, w których jony mogą osiąść i przez nie przejść” – powiedział Wang. „Wykorzystując je jako elementy składowe porowatych kryształów, kryształ miałby duże przestrzenie do przechowywania jonów i połączone kanały umożliwiające transport jonów”.
Osiągnięcie rekordowo wysokiej przewodności jonowej
Wang połączył elementy razem, z molekularną klatką pośrodku i trzema makrocyklami przymocowanymi promieniowo, jak skrzydła lub ramiona. Te cząsteczki klatek makrocyklicznych wykorzystują wiązania wodorowe i ich powiązane kształty do samoorganizacji do większe, bardziej skomplikowane, trójwymiarowe kryształy, które są nanoporowate, z jednowymiarowymi kanałami – według Zhonga „idealną drogą transportu jonów” – które osiągają przewodność jonową do 8,3 × 10-4 Siemensa na centymetr.
„Ta przewodność jest rekordowo wysoka w przypadku tych opartych na cząsteczkach, półprzewodnikowych elektrolitów przewodzących litowo-jonowe” – powiedział Zhong.
Szczegółowa analiza konstrukcyjna i zastosowania
Gdy badacze mieli już kryształ, musieli lepiej zrozumieć jego budowę, dlatego nawiązali współpracę z dr Judy Cha. ’09, profesor nauk o materiałach i inżynierii, który wykorzystał skaningową transmisyjną mikroskopię elektronową do zbadania jego struktury, oraz Jingjie Yeo, adiunkt inżynierii mechanicznej i lotniczej, których symulacje wyjaśniły interakcje między cząsteczkami i jonami litu.
„Więc po zebraniu wszystkich elementów w końcu dobrze zrozumieliśmy, dlaczego ta struktura jest naprawdę dobra w transporcie jonów i dlaczego dzięki temu materiałowi uzyskujemy tak wysoką przewodność” – powiedział Zhong.
Oprócz tworzenia bezpieczniejszych akumulatorów litowo-jonowych materiał można również potencjalnie wykorzystać do oddzielania jonów i cząsteczek w procesie oczyszczania wody oraz do tworzenia mieszanych struktur przewodzących jony i elektrony dla obwodów i czujników bioelektronicznych.
Odkrywanie przyszłych zastosowań
„Ta cząsteczka-klatka makrocykliczna jest zdecydowanie czymś nowym w tej społeczności” – powiedział Zhong. „Klatka molekularna i makrocykl są znane od jakiegoś czasu, ale to, w jaki sposób można naprawdę wykorzystać unikalną geometrię tych dwóch cząsteczek do kierowania samoorganizacją nowych, bardziej skomplikowanych struktur, pozostaje niezbadanym obszarem. Teraz w naszej grupie pracujemy nad syntezą różnych cząsteczek, nad tym, jak je złożyć i stworzyć cząsteczkę o innej geometrii, abyśmy mogli rozszerzyć wszystkie możliwości wytwarzania nowych materiałów nanoporowatych. Być może dotyczy to przewodności litowo-jonowej, a może nawet wielu innych zastosowań”.
Odniesienie: „Supramolekularny montaż stopionych cząsteczek makrocyklicznych do szybkiego transportu litowo-jonowego” autorstwa Yuzhe Wanga, Kaiyang Wanga, Qing Ai, Stephena D. Funni, Ashutosha Garudapalli, Qiyi Fang, Suin Choi, Gangbin Yan, Shayan Louie, Chong Liu , Jun Lou, Judy J. Cha, Jingjie Yeo, Zexin Jin i Yu Zhong, 9 września 2024 r., Dziennik Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego.
DOI: 10.1021/jacs.4c08558
Współautorami są doktorant Kaiyang Wang, MS ’19; student studiów magisterskich Ashutosh Garudapalli; badacze ze stopniem doktora Stephen Funni i Qiyi Fang; i badacze z Rice University, Uniwersytet w Chicago I Uniwersytet Kolumbii.
Badania były wspierane przez inicjatywy Engineering Learning Initiatives firmy Cornell Engineering.
Naukowcy skorzystali z usług Centrum Badań Materiałowych Cornell i Centrum Nauki i Inżynierii Materiałów Uniwersytetu Columbia, które są finansowane w ramach programu Centrum Nauki i Inżynierii Materiałów National Science Foundation.
