Akumulatory litowo-jonowe odgrywają kluczową rolę w codziennym życiu, zasilając wszystko – od smartfonów po samochody elektryczne. Jednak istnieją pewne wyzwania związane z ich bezpieczeństwem, głównie ze względu na tendencję do przegrzewania się i ryzyko zapłonu. Związki organiczne stosowane w elektrolitach baterii, choć skuteczne w przenoszeniu jonów litu, mogą prowadzić do tworzenia kolczastych dendrytów, które przebijają separatory i powodują zwarcia.
Czytaj też: Od fantazji do rzeczywistości. Supercienkie baterie na wyciągnięcie ręki
Alternatywą jest użycie baterii typu solid state (o stałym elektrolicie), które zamiast ciekłego elektrolitu mają elektrolit w stanie stałym. Ale jony w takim środowisku poruszają się wolniej, ponieważ napotykają większy opór. Zespół kierowany przez Yu Zhonga, adiunkta nauk materiałowych i inżynierii na Cornell University, wpadł na pomysł stworzenia porowatego kryształu, który umożliwiłby jonom płynniejsze poruszanie się wewnątrz stałego elektrolitu.
Aby kryształ był skuteczny, musiałby utrzymywać wysokie stężenie jonów, ale jednocześnie mieć słabą interakcję z jonami litu, aby ułatwić ich łatwy ruch. Student Zhonga, Yuzhe Wang, opracował metodę łączenia dwóch ekscentrycznych typów cząsteczek: makrocyklicznych i klatek molekularnych, które mają uzupełniające się kryształy. Szczegóły opisano w czasopiśmie Journal of the American Chemical Society.
Yuzhe Wang mówi:
Zarówno cząsteczki makrocykliczne, jak i klatki molekularne mają wewnętrzne pory, w których jony mogą się gromadzić i przez które mogą przechodzić. Dzięki wykorzystaniu ich jako elementów budulcowych kryształ miałby duże przestrzenie do przechowywania jonów i połączone kanały do transportu jonów.
Baterie litowo-jonowe już nie będą się przegrzewać i wybuchać
Związki makrocykliczne to klasa związków chemicznych charakteryzujących się dużą, cykliczną strukturą molekularną, która składa się z co najmniej 12 atomów. Z kolei związki klatkowe to specyficzna klasa związków chemicznych, które mają unikalną, trójwymiarową strukturę przypominającą “klatkę”. Składają się one z atomów lub grup atomów, które tworzą sieci o regularnych kształtach, w których mogą być uwięzione inne cząsteczki, jony lub atomy.
Czytaj też: Samsung pokazuje pierwszą na świecie baterię solid state do urządzeń noszonych
Porowaty kryształ stworzony przez naukowców z Cornell University składa się z klatki molekularnej w środku i trzech związków makrocyklicznych przyłączonych do niej promieniowo, które wyglądają podobnie jak skrzydła. Te dwa elementy są utrzymywane razem przez wiązania wodorowe. Ze względu na ich zazębiające się kształty, samoczynnie się organizują w większe trójwymiarowe nanoporowate kryształy. Samoczynnie organizująca się struktura ma jednowymiarowe kanały, przez które mogą przepływać jony.
Naukowcy osiągnęli przewodność elektryczną rzędu 8,3 x 10-4 S/cm (siemensa na centymetr). Ta przewodność jest rekordowo wysoka dla tych opartych na cząsteczkach, stałych elektrolitów przewodzących jony litu. Ze względu na samoczynnie organizującą się naturę kryształu, naukowcy nie mieli pojęcia, jak powstał i jak działa. Połączyli więc siły z innymi badaczami na uniwersytecie, aby wykorzystać skaningową mikroskopię elektronową do zbadania struktury i symulacji w celu określenia interakcji z jonami litu.
Praca nie ogranicza się jednak wyłącznie do tworzenia bezpieczniejszych baterii litowo-jonowych. Naukowcy pracują obecnie nad syntezą nowych cząsteczek i uzyskaniem nowych geometrii z ich udziałem. Potencjalne zastosowania obejmują rozdzielanie jonów w celu oczyszczania wody i tworzenie mieszanych struktur jonowo-elektronowych do obwodów bioelektronicznych i czujników.