Verschmolzene Moleküle könnten als Bausteine ​​für sicherere Lithium-Ionen-Batterien dienen

Durch die Verschmelzung zweier verzerrter Molekülstrukturen haben Cornell-Forscher einen porösen Kristall geschaffen, der Lithium-Ionen-Elektrolyte aufnehmen und über eindimensionale Nanokanäle reibungslos transportieren kann – ein Design, das zu sichereren Festkörper-Lithium-Ionen-Batterien führen könnte.

Das Papier des Teams mit dem Titel „Supramolekulare Anordnung fusionierter Makrozyklus-Käfigmoleküle für den schnellen Lithium-Ionen-Transport“ lautet veröffentlicht im Zeitschrift der American Chemical Society. Der Hauptautor ist Yuzhe Wang.

Das Projekt wurde von Yu Zhong geleitet, Assistenzprofessor für Materialwissenschaften und -technik an der Cornell Engineering und leitender Autor des Artikels, dessen Labor auf die Synthese weicher und nanoskaliger Materialien spezialisiert ist, die Energiespeicher- und Nachhaltigkeitstechnologien voranbringen können.

Zhong war gerade vor zwei Jahren an die Cornell-Fakultät gekommen, als er von Wang kontaktiert wurde, einem Transferstudenten, der sein erstes Studienjahr begann und begeistert war, ein Forschungsprojekt zu übernehmen.

Ganz oben auf Zhongs Liste potenzieller Themen stand die Suche nach einer Möglichkeit, eine sicherere Lithium-Ionen-Batterie herzustellen. Bei herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien erfolgt der Transport der Ionen über flüssige Elektrolyte. Flüssige Elektrolyte können jedoch stachelige Dendriten zwischen der Anode und der Kathode der Batterie bilden, die zu einem Kurzschluss der Batterie oder in seltenen Fällen zur Explosion führen.

Eine Festkörperbatterie wäre sicherer, aber das bringt seine eigenen Herausforderungen mit sich. Ionen bewegen sich langsamer durch Feststoffe, weil sie einem größeren Widerstand ausgesetzt sind. Zhong wollte einen neuen Kristall entwerfen, der porös genug war, damit sich Ionen über einen bestimmten Weg bewegen konnten. Dieser Weg müsste glatt sein und schwache Wechselwirkungen zwischen den Lithiumionen und dem Kristall aufweisen, damit die Ionen nicht haften bleiben. Und der Kristall müsste genügend Ionen aufnehmen, um eine hohe Ionenkonzentration sicherzustellen.

Wang machte sich an die Arbeit und entwickelte eine Methode zur Verschmelzung zweier exzentrischer Molekülstrukturen mit komplementären Formen: Makrozyklen und molekulare Käfige. Makrozyklen sind Moleküle mit Ringen aus 12 oder mehr Atomen, und molekulare Käfige sind Verbindungen mit mehreren Ringen, die ihrem Namen mehr oder weniger ähneln.

„Sowohl Makrozyklen als auch molekulare Käfige haben intrinsische Poren, in denen Ionen sitzen und durchdringen können“, sagte Wang. „Durch ihre Verwendung als Bausteine ​​für poröse Kristalle hätte der Kristall große Räume zum Speichern von Ionen und miteinander verbundene Kanäle für den Ionentransport.“

Wang verschmolz die Komponenten miteinander, mit einem molekularen Käfig in der Mitte und drei radial daran befestigten Makrozyklen, wie Flügel oder Arme. Diese Makrozyklus-Käfigmoleküle nutzen Wasserstoffbrückenbindungen und ihre ineinandergreifenden Formen, um sich selbst zu größeren, komplizierteren, dreidimensionalen Kristallen zusammenzusetzen, die nanoporös sind und eindimensionale Kanäle aufweisen – „der ideale Weg für den Ionentransport“, so Zhong – die eine Ionenleitfähigkeit von bis zu 8,3 × 10-4 Siemens pro Zentimeter erreichen.

„Diese Leitfähigkeit ist der Rekordwert für diese molekülbasierten, festen Lithiumionen-leitenden Elektrolyte“, sagte Zhong.

Sobald die Forscher ihren Kristall hatten, mussten sie seinen Aufbau besser verstehen, also arbeiteten sie mit Judy Cha, Ph.D., Professorin für Materialwissenschaft und -technik, die Rastertransmissionselektronenmikroskopie zur Erforschung seiner Struktur verwendete, und Jingjie Yeo, Assistentin, zusammen Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik, dessen Simulationen die Wechselwirkungen zwischen den Molekülen und Lithiumionen verdeutlichten.

„Als wir alle Teile zusammengenommen haben, haben wir schließlich ein gutes Verständnis dafür entwickelt, warum diese Struktur wirklich gut für den Ionentransport ist und warum wir mit diesem Material eine so hohe Leitfähigkeit erreichen“, sagte Zhong.

Neben der Herstellung sichererer Lithium-Ionen-Batterien könnte das Material möglicherweise auch zur Trennung von Ionen und Molekülen bei der Wasserreinigung sowie zur Herstellung gemischter Ionen-Elektronen-leitender Strukturen für bioelektronische Schaltkreise und Sensoren verwendet werden.

„Dieses Makrozyklus-Käfigmolekül ist definitiv etwas Neues in dieser Gemeinschaft“, sagte Zhong. „Der molekulare Käfig und der Makrozyklus sind schon seit einiger Zeit bekannt, aber wie man die einzigartige Geometrie dieser beiden Moleküle wirklich nutzen kann, um die Selbstorganisation neuer, komplizierterer Strukturen zu steuern, ist ein noch unerforschtes Gebiet.“

„Jetzt arbeiten wir in unserer Gruppe an der Synthese verschiedener Moleküle und daran, wie wir sie zusammensetzen und ein Molekül mit einer anderen Geometrie herstellen können, damit wir alle Möglichkeiten zur Herstellung neuer nanoporöser Materialien erweitern können. Vielleicht liegt es an der Lithium-Ionen-Leitfähigkeit.“ oder vielleicht sogar für viele andere verschiedene Anwendungen.

Zu den Co-Autoren gehören der Doktorand Kaiyang Wang; Masterstudent Ashutosh Garudapalli; die Postdoktoranden Stephen Funni und Qiyi Fang; und Forscher der Rice University, der University of Chicago und der Columbia University.