Los electrolitos de estado sólido se han explorado durante décadas para su uso en sistemas de almacenamiento de energía y en la búsqueda de baterías de estado sólido. Estos materiales son alternativas más seguras al electrolito líquido tradicional (una solución que permite que los iones se muevan entre las celdas) que se usa en las baterías hoy en día. Sin embargo, el rendimiento de los electrolitos de polímeros sólidos actuales requiere nuevos conceptos que sean útiles para los materiales de próxima generación.
Investigadores de ciencia e ingeniería de materiales de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign han explorado el papel de la estructura secundaria helicoidal en la conductividad de electrolitos de polímeros peptídicos en estado sólido y han descubierto que la estructura helicoidal muestra una conductividad mucho mejor en comparación con su contraparte de “bobina aleatoria”. . También descubrieron que las hélices más largas conducen a una mayor conductividad y que la estructura helicoidal aumenta la estabilidad general del material a temperatura y voltaje.
“Introdujimos la idea de utilizar estructuras secundarias (hélices) para diseñar y mejorar las propiedades fundamentales de la conductividad iónica en los sólidos”, dijo el profesor Chris Evans, quien dirigió el trabajo. “Es la misma hélice que se encuentra en los péptidos biológicos, sólo que la usamos por razones no biológicas”.
Los polímeros tienden a adoptar configuraciones aleatorias, pero la columna vertebral del polímero se puede controlar y diseñar para formar una estructura helicoidal similar al ADN. Como resultado, el polímero tendrá un momento macrodipolar: una gran separación de cargas positivas y negativas. A lo largo de la hélice, los pequeños momentos dipolares de cada unidad peptídica individual se sumarán para formar macrodipolos, que aumentan tanto la conductividad como la constante dieléctrica (una medida de la capacidad de un material para almacenar energía eléctrica), mejorando la estructura y la carga generales. transporte. Cuanto más largo sea el péptido, mayor será la conductividad de la hélice.
Evans agrega: “Estos polímeros son mucho más estables que los polímeros normales: la hélice es una estructura muy fuerte. Puede alcanzar temperaturas o voltajes más altos que los polímeros en espiral aleatorios, y no se corroe ni pierde la hélice. No. El polímero es lo que queremos. No veo ninguna evidencia de que se haya roto antes”.
Además, dado que el material está hecho de péptidos, se puede reducir nuevamente a unidades monoméricas individuales utilizando enzimas o ácidos cuando la batería falla o llega al final de su vida útil. Los materiales de partida se pueden recuperar y reutilizar tras un proceso de separación, reduciendo su impacto medioambiental.
Se publicó este estudio, “La estructura peptídica helicoidal mejora la conductividad y la estabilidad de los electrolitos sólidos”. Materiales de la naturaleza.
Chris Evans también es asociado del Laboratorio de Investigación de Materiales (MRL) en Illinois y del Instituto Beckman de Ciencia y Tecnología Avanzadas.
Otros contribuyentes a este trabajo incluyen Ying Chen (Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, MRL e Instituto Beckman de Ciencia y Tecnología Avanzada, Illinois), Tianrui Xu (Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, MRL e Instituto Beckman de Ciencia y Tecnología Avanzada, Illinois ) , Chen Chen (Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, MRL e Instituto Beckman de Ciencia y Tecnología Avanzada, Illinois), Xiongun Zhang (Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, MRL e Instituto Beckman de Ciencia y Tecnología Avanzada, Illinois) ), Paul Brown (Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, MRL e Instituto Beckman de Ciencia y Tecnología Avanzada, Illinois) y Jianjun Cheng (Ciencia e Ingeniería de Materiales, Universidad Westlake, China).
Esta investigación fue financiada por la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. y la Oficina de Ciencias Básicas del Departamento de Energía de EE. UU., División de Ciencia e Ingeniería de Materiales.