Gefuseerde moleculen kunnen dienen als bouwstenen voor veiligere lithium-ionbatterijen

Door een paar verwrongen moleculaire structuren samen te smelten, hebben Cornell-onderzoekers een poreus kristal gecreëerd dat lithium-ionelektrolyten kan opnemen en deze soepel kan transporteren via eendimensionale nanokanalen – een ontwerp dat zou kunnen leiden tot veiligere lithium-ionbatterijen in de vaste toestand.

Het artikel van het team, ‘Supramolecular Assembly of Fused Macrocycle-Cage Molecules for Fast Lithium-Ion Transport’, is gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society. De hoofdauteur is Yuzhe Wang.

Het project werd geleid door Yu Zhong, assistent-professor materiaalkunde en techniek bij Cornell Engineering en senior auteur van het artikel, wiens laboratorium gespecialiseerd is in het synthetiseren van zachte materialen en materialen op nanoschaal die energieopslag- en duurzaamheidstechnologieën kunnen bevorderen.

Zhong was net twee jaar geleden bij Cornell’s faculteit gekomen toen hij werd benaderd door Wang, een bachelorstudent die aan zijn eerste jaar begon, die enthousiast was over het aannemen van een onderzoeksproject.

Bovenaan Zhongs lijst met mogelijke onderwerpen stond het vinden van een manier om een ​​veiligere lithium-ionbatterij te maken. Bij conventionele lithium-ionbatterijen worden de ionen via vloeibare elektrolyten vervoerd. Maar vloeibare elektrolyten kunnen stekelige dendrieten vormen tussen de anode en kathode van de batterij, waardoor de batterij kortsluiting veroorzaakt of in zeldzame gevallen explodeert.

Een solid-state batterij zou veiliger zijn, maar dat brengt zijn eigen uitdagingen met zich mee. Ionen bewegen langzamer door vaste stoffen, omdat ze meer weerstand ondervinden. Zhong wilde een nieuw kristal ontwerpen dat zo poreus was dat ionen zich via een bepaald pad konden verplaatsen. Dat pad zou soepel moeten zijn, met zwakke interacties tussen de lithiumionen en het kristal, zodat de ionen niet zouden blijven plakken. En het kristal zou voldoende ionen moeten vasthouden om een ​​hoge ionenconcentratie te garanderen.

Wang ging aan de slag en bedacht een methode om twee excentrieke moleculaire structuren met complementaire vormen samen te smelten: macrocycli en moleculaire kooien. Macrocycli zijn moleculen met ringen van twaalf of meer atomen, en moleculaire kooien zijn verbindingen met meerdere ringen die min of meer op hun naam lijken.

“Zowel macrocycli als moleculaire kooien hebben intrinsieke poriën waar ionen kunnen zitten en er doorheen kunnen gaan”, zei Wang. “Door ze te gebruiken als bouwstenen voor poreuze kristallen, zou het kristal grote ruimtes hebben om ionen op te slaan en onderling verbonden kanalen om ionen te transporteren.”

Wang heeft de componenten samengesmolten, met een moleculaire kooi in het midden en drie macrocycli die radiaal zijn bevestigd, zoals vleugels of armen. Deze macrocyclus-kooimoleculen gebruiken waterstofbruggen en hun in elkaar grijpende vormen om zichzelf te assembleren tot grotere, meer gecompliceerde, driedimensionale kristallen die nanoporeus zijn, met eendimensionale kanalen – ‘de ideale route voor het transport van het ion’, aldus Zhong. —die een ionische geleidbaarheid tot 8,3 × 10 bereiken^-4 siemens per centimeter.

“Die geleidbaarheid is de recordhoogte voor deze op moleculen gebaseerde lithium-iongeleidende elektrolyten in vaste toestand,” zei Zhong.

Toen de onderzoekers eenmaal hun kristal hadden, moesten ze de samenstelling ervan beter begrijpen, dus werkten ze samen met Judy Cha, Ph.D., hoogleraar materiaalkunde en techniek, die scanning-transmissie-elektronenmicroscopie gebruikte om de structuur ervan te onderzoeken, en Jingjie Yeo, assistent hoogleraar werktuigbouwkunde en ruimtevaarttechniek, wiens simulaties de interacties tussen de moleculen en lithiumionen verduidelijkten.

“Dus met alle stukjes bij elkaar hebben we uiteindelijk een goed begrip gekregen van waarom deze structuur echt goed is voor ionentransport, en waarom we met dit materiaal zo’n hoge geleidbaarheid krijgen”, zei Zhong.

Naast het maken van veiligere lithium-ionbatterijen, zou het materiaal ook potentieel kunnen worden gebruikt om ionen en moleculen te scheiden bij waterzuivering en om gemengde ion-elektronengeleidende structuren te maken voor bio-elektronische circuits en sensoren.

“Dit macrocyclus-kooimolecuul is absoluut iets nieuws in deze gemeenschap”, zei Zhong. “De moleculaire kooi en macrocyclus zijn al een tijdje bekend, maar hoe je de unieke geometrie van deze twee moleculen echt kunt gebruiken om de zelfassemblage van nieuwe, meer gecompliceerde structuren te begeleiden, is een soort onontgonnen gebied.

“Nu werken we in onze groep aan de synthese van verschillende moleculen, hoe we ze kunnen assembleren en een molecuul kunnen maken met een andere geometrie, zodat we alle mogelijkheden kunnen uitbreiden om nieuwe nanoporeuze materialen te maken. Misschien is het voor de geleidbaarheid van lithium-ionen of misschien zelfs voor veel andere verschillende toepassingen.”

Co-auteurs zijn onder meer promovendus Kaiyang Wang; masterstudent Ashutosh Garudapalli; postdoctorale onderzoekers Stephen Funni en Qiyi Fang; en onderzoekers van Rice University, University of Chicago en Columbia University.