Bằng cách kết hợp một cặp cấu trúc phân tử xoắn lại với nhau, các nhà nghiên cứu tại Cornell đã tạo ra một tinh thể xốp có thể hấp thụ chất điện phân lithium-ion và vận chuyển chúng một cách trơn tru thông qua các kênh nano một chiều—một thiết kế có thể tạo ra pin lithium-ion thể rắn an toàn hơn.
Nguồn: Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ (2024). DOI: 10.1021/jacs.4c08558
Bài báo của nhóm, "Lắp ráp siêu phân tử của các phân tử lồng macrocycle hợp nhất để vận chuyển nhanh lithium-ion", được công bố trên Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ. Tác giả chính là Yuzhe Wang.
Dự án được dẫn dắt bởi Yu Zhong, phó giáo sư khoa học vật liệu và kỹ thuật tại Cornell Engineering, đồng thời là tác giả chính của bài báo. Phòng thí nghiệm của ông chuyên tổng hợp các vật liệu mềm và nano có thể thúc đẩy công nghệ lưu trữ năng lượng và công nghệ phát triển bền vững.
Zhong vừa mới gia nhập khoa Cornell cách đây hai năm khi anh được Wang, một sinh viên chuyển tiếp đại học đang bắt đầu năm thứ ba, liên lạc. Wang rất hào hứng với việc thực hiện một dự án nghiên cứu.
Đứng đầu danh sách các chủ đề tiềm năng của Zhong là tìm cách tạo ra pin lithium-ion an toàn hơn. Trong pin lithium-ion thông thường, các ion được vận chuyển qua chất điện phân lỏng. Nhưng chất điện phân lỏng có thể tạo thành các nhánh cây gai giữa cực dương và cực âm của pin, làm chập pin hoặc trong trường hợp hiếm hoi, có thể phát nổ.
Pin thể rắn sẽ an toàn hơn, nhưng điều đó cũng đi kèm với những thách thức riêng. Các ion di chuyển chậm hơn qua chất rắn, vì chúng phải đối mặt với nhiều lực cản hơn. Zhong muốn thiết kế một tinh thể mới đủ xốp để các ion có thể di chuyển qua một số loại đường dẫn. Đường dẫn đó sẽ cần phải trơn tru, với các tương tác yếu giữa các ion lithium và tinh thể, do đó các ion sẽ không bị dính. Và tinh thể sẽ cần giữ đủ các ion để đảm bảo nồng độ ion cao.
Wang đã bắt tay vào làm việc và đưa ra phương pháp hợp nhất hai cấu trúc phân tử lệch tâm có hình dạng bổ sung cho nhau: macrocycle và molecular cage. Macrocycle là các phân tử có vòng gồm 12 nguyên tử trở lên, còn molecular cage là các hợp chất nhiều vòng ít nhiều giống với tên gọi của chúng.
"Cả macrocycle và lồng phân tử đều có lỗ chân lông nội tại nơi các ion có thể nằm và đi qua", Wang cho biết. "Bằng cách sử dụng chúng làm khối xây dựng cho tinh thể xốp, tinh thể sẽ có không gian lớn để lưu trữ các ion và các kênh liên kết để các ion vận chuyển".
Wang đã hợp nhất các thành phần lại với nhau, với một lồng phân tử ở trung tâm và ba vòng vĩ mô gắn theo hướng xuyên tâm, giống như cánh hoặc cánh tay. Các phân tử lồng vĩ mô này sử dụng liên kết hydro và hình dạng lồng vào nhau của chúng để tự lắp ráp thành các tinh thể ba chiều lớn hơn, phức tạp hơn, có dạng nanoporous, với các kênh một chiều—"con đường lý tưởng để ion vận chuyển", theo Zhong—đạt được độ dẫn ion lên tới 8,3 × 10-4 siemens trên một centimet.
Zhong cho biết: "Độ dẫn điện đó là mức cao kỷ lục đối với các chất điện phân dẫn ion lithium dạng rắn dựa trên phân tử này".
Sau khi có được tinh thể, các nhà nghiên cứu cần hiểu rõ hơn về thành phần của nó, vì vậy họ đã hợp tác với Tiến sĩ Judy Cha, giáo sư khoa học vật liệu và kỹ thuật, người đã sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua quét để khám phá cấu trúc của nó, và Jingjie Yeo, phó giáo sư về kỹ thuật cơ khí và hàng không vũ trụ, người có các mô phỏng làm rõ sự tương tác giữa các phân tử và ion lithium.
"Vì vậy, khi tất cả các thành phần kết hợp lại với nhau, cuối cùng chúng tôi đã hiểu rõ tại sao cấu trúc này thực sự tốt cho việc vận chuyển ion và tại sao chúng tôi lại có được độ dẫn điện cao như vậy với vật liệu này", Zhong cho biết.
Ngoài việc sản xuất pin lithium-ion an toàn hơn, vật liệu này cũng có thể được sử dụng để tách các ion và phân tử trong quá trình lọc nước và tạo ra các cấu trúc dẫn điện ion-electron hỗn hợp cho mạch điện tử sinh học và cảm biến.
"Phân tử lồng macrocycle này chắc chắn là một cái gì đó mới trong cộng đồng này", Zhong nói. "Lồng phân tử và macrocycle đã được biết đến trong một thời gian, nhưng làm thế nào bạn có thể thực sự tận dụng hình học độc đáo của hai phân tử này để hướng dẫn quá trình tự lắp ráp các cấu trúc mới, phức tạp hơn vẫn là một lĩnh vực chưa được khám phá.
"Hiện tại, trong nhóm của chúng tôi, chúng tôi đang nghiên cứu tổng hợp các phân tử khác nhau, cách chúng tôi có thể lắp ráp chúng và tạo ra một phân tử có hình dạng khác, để chúng tôi có thể mở rộng mọi khả năng tạo ra vật liệu nano xốp mới. Có thể là để dẫn điện lithium-ion hoặc thậm chí có thể là nhiều ứng dụng khác nhau khác."
Các đồng tác giả bao gồm nghiên cứu sinh tiến sĩ Kaiyang Wang; nghiên cứu sinh thạc sĩ Ashutosh Garudapalli; các nhà nghiên cứu sau tiến sĩ Stephen Funni và Qiyi Fang; và các nhà nghiên cứu từ Đại học Rice, Đại học Chicago và Đại học Columbia.
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
