Erhöhung der Leitfähigkeit und Stabilität von Festkörperelektrolyten durch helikale Struktur

Festkörperelektrolyte werden seit Jahrzehnten für den Einsatz in Energiespeichersystemen und bei der Entwicklung von Festkörperbatterien erforscht. Diese Materialien sind sicherere Alternativen zu den herkömmlichen flüssigen Elektrolyten – einer Lösung, die die Bewegung von Ionen innerhalb der Zelle ermöglicht –, die heute in Batterien verwendet werden. Es sind jedoch neue Konzepte erforderlich, um die Leistung der aktuellen festen Polymerelektrolyte so zu steigern, dass sie für Materialien der nächsten Generation tragfähig sind.

Forscher aus den Bereichen Materialwissenschaft und Werkstofftechnik an der University of Illinois Urbana-Champaign haben die Rolle der helikalen Sekundärstruktur für die Leitfähigkeit von festen Peptidpolymerelektrolyten untersucht und fanden heraus, dass die helikale Struktur im Vergleich zu ihren Gegenstücken in der „Random Coil“-Struktur eine deutlich höhere Leitfähigkeit aufweist.

Sie fanden außerdem heraus, dass längere Helices zu einer höheren Leitfähigkeit führen und dass die Helixstruktur die allgemeine Temperatur- und Spannungsstabilität des Materials erhöht.

Ihre Forschung„Helikale Peptidstruktur verbessert Leitfähigkeit und Stabilität von Festelektrolyten“, wurde veröffentlicht in Naturmaterialien.

„Wir haben das Konzept der Verwendung einer Sekundärstruktur – der Helix – eingeführt, um die grundlegende Materialeigenschaft der Ionenleitfähigkeit in festen Materialien zu entwickeln und zu verbessern“, sagt Professor Chris Evans, der diese Arbeit leitete. „Es ist dieselbe Helix, die man in Peptiden in der Biologie finden würde, wir verwenden sie nur aus nicht-biologischen Gründen.“

Polymere neigen dazu, zufällige Konfigurationen anzunehmen, aber das Rückgrat des Polymers kann kontrolliert und so gestaltet werden, dass es eine helikale Struktur bildet, wie DNA. Als Folge davon hat das Polymer ein Makrodipolmoment – ​​eine großflächige Trennung von positiven und negativen Ladungen.

Über die gesamte Länge der Helix addieren sich die kleinen Dipolmomente der einzelnen Peptideinheiten zum Makrodipol, der sowohl die Leitfähigkeit als auch die Dielektrizitätskonstante – ein Maß für die Fähigkeit eines Materials, elektrische Energie zu speichern – der gesamten Struktur erhöht und den Ladungstransport verbessert. Je länger das Peptid, desto höher die Leitfähigkeit der Helix.

Evans fügt hinzu: „Diese Polymere sind viel stabiler als typische Polymere – die Helix ist eine sehr robuste Struktur. Im Vergleich zu Random-Coil-Polymeren können sie hohen Temperaturen oder Spannungen ausgesetzt werden, ohne dass die Helix abgebaut wird oder verloren geht. Wir sehen keine Anzeichen dafür, dass das Polymer früher zerfällt, als wir es wollen.“

Da das Material aus Peptiden besteht, kann es außerdem mit Hilfe von Enzymen oder Säure wieder in einzelne Monomereinheiten zerlegt werden, wenn die Batterie defekt ist oder das Ende ihrer Nutzungsdauer erreicht hat. Die Ausgangsstoffe können nach einem Trennungsprozess zurückgewonnen und wiederverwendet werden, was die Umweltbelastung verringert.

Chris Evans ist außerdem Mitglied des Materials Research Laboratory (MRL) und des Beckman Institute for Advanced Science and Technology in Illinois.