En fusionnant deux structures moléculaires contorsionnées, les chercheurs de Cornell ont créé un cristal poreux capable d’absorber les électrolytes lithium-ion et de les transporter en douceur via des nanocanaux unidimensionnels, une conception qui pourrait conduire à des batteries lithium-ion à semi-conducteurs plus sûres.
L’article de l’équipe, « Assemblage supramoléculaire de molécules à macrocycle-cage fusionnées pour un transport rapide du lithium-ion », est publié dans le Journal de l’American Chemical Society. L’auteur principal est Yuzhe Wang.
Le projet a été dirigé par Yu Zhong, professeur adjoint de science et d’ingénierie des matériaux à Cornell Engineering et auteur principal de l’article, dont le laboratoire est spécialisé dans la synthèse de matériaux mous et à l’échelle nanométrique susceptibles de faire progresser les technologies de stockage d’énergie et de durabilité.
Zhong venait tout juste de rejoindre la faculté de Cornell il y a deux ans lorsqu’il a été contacté par Wang, un étudiant transféré de premier cycle qui commençait sa première année, qui était enthousiaste à l’idée d’entreprendre un projet de recherche.
En tête de la liste des sujets potentiels de Zhong se trouvait la recherche d’un moyen de fabriquer une batterie lithium-ion plus sûre. Dans les batteries lithium-ion conventionnelles, les ions sont transportés via des électrolytes liquides. Mais les électrolytes liquides peuvent former des dendrites épineuses entre l’anode et la cathode de la batterie, qui court-circuitent la batterie ou, dans de rares cas, explosent.
Une batterie à semi-conducteurs serait plus sûre, mais cela comporte ses propres défis. Les ions se déplacent plus lentement à travers les solides, car ils font face à plus de résistance. Zhong souhaitait concevoir un nouveau cristal suffisamment poreux pour que les ions puissent emprunter une sorte de chemin. Ce chemin devrait être fluide, avec de faibles interactions entre les ions lithium et le cristal, afin que les ions ne collent pas. Et le cristal devrait contenir suffisamment d’ions pour garantir une concentration élevée en ions.
Wang s’est mis au travail et a conçu une méthode permettant de fusionner deux structures moléculaires excentriques aux formes complémentaires : les macrocycles et les cages moléculaires. Les macrocycles sont des molécules comportant des anneaux de 12 atomes ou plus, et les cages moléculaires sont des composés à plusieurs anneaux qui ressemblent plus ou moins à leur nom.
« Les macrocycles et les cages moléculaires ont des pores intrinsèques où les ions peuvent s’asseoir et traverser », a déclaré Wang. « En les utilisant comme éléments de base pour les cristaux poreux, le cristal disposerait de grands espaces pour stocker les ions et de canaux interconnectés pour le transport des ions. »
Wang a fusionné les composants ensemble, avec une cage moléculaire au centre et trois macrocycles fixés radialement, comme des ailes ou des bras. Ces molécules à cage macrocyclique utilisent des liaisons hydrogène et leurs formes imbriquées pour s’auto-assembler en cristaux tridimensionnels plus grands et plus complexes, nanoporeux, avec des canaux unidimensionnels – « la voie idéale pour le transport de l’ion », selon Zhong. – qui atteignent une conductivité ionique allant jusqu’à 8,3 × 10-4 Siemens par centimètre.
« Cette conductivité est le record pour ces électrolytes conducteurs d’ions lithium à l’état solide à base de molécules », a déclaré Zhong.
Une fois que les chercheurs avaient leur cristal, ils devaient mieux comprendre sa composition. Ils ont donc collaboré avec Judy Cha, Ph.D., professeur de science et d’ingénierie des matériaux, qui a utilisé la microscopie électronique à transmission par balayage pour explorer sa structure, et Jingjie Yeo, assistante. professeur de génie mécanique et aérospatial, dont les simulations ont clarifié les interactions entre les molécules et les ions lithium.
« Ainsi, en réunissant toutes les pièces, nous avons finalement réussi à bien comprendre pourquoi cette structure est vraiment bonne pour le transport d’ions et pourquoi nous obtenons une conductivité si élevée avec ce matériau », a déclaré Zhong.
En plus de fabriquer des batteries lithium-ion plus sûres, ce matériau pourrait également être potentiellement utilisé pour séparer des ions et des molécules dans la purification de l’eau et pour créer des structures mixtes conductrices d’ions et d’électrons pour des circuits et des capteurs bioélectroniques.
« Cette molécule en cage du macrocycle est définitivement quelque chose de nouveau dans cette communauté », a déclaré Zhong. « La cage moléculaire et le macrocycle sont connus depuis un certain temps, mais la façon dont vous pouvez réellement exploiter la géométrie unique de ces deux molécules pour guider l’auto-assemblage de nouvelles structures plus complexes est en quelque sorte un domaine inexploré.
« Maintenant, dans notre groupe, nous travaillons sur la synthèse de différentes molécules, sur la façon dont nous pouvons les assembler et créer une molécule avec une géométrie différente, afin d’élargir toutes les possibilités pour fabriquer de nouveaux matériaux nanoporeux. C’est peut-être pour la conductivité lithium-ion. ou peut-être même pour de nombreuses autres applications différentes. »
Les co-auteurs incluent le doctorant Kaiyang Wang ; Ashutosh Garudapalli, étudiant à la maîtrise ; les chercheurs postdoctoraux Stephen Funni et Qiyi Fang ; et des chercheurs de l’Université Rice, de l’Université de Chicago et de l’Université Columbia.
Plus d’informations :
Yuzhe Wang et al, Assemblage supramoléculaire de molécules fusionnées à macrocycle-cage pour un transport rapide du lithium-ion, Journal de l’American Chemical Society (2024). DOI : 10.1021/jacs.4c08558