Tăng độ dẫn điện và độ ổn định của chất điện phân thể rắn bằng cấu trúc xoắn ốc
của Trường Kỹ thuật Grainger thuộc Đại học Illinois
Hình ảnh minh họa chất điện phân polyme peptide xoắn ốc với cực đại lưỡng cực được chỉ ra bằng mũi tên có điện tích dương và âm. Nguồn: Trường Kỹ thuật Grainger thuộc Đại học Illinois Urbana-Champaign
Chất điện phân thể rắn đã được khám phá trong nhiều thập kỷ để sử dụng trong các hệ thống lưu trữ năng lượng và trong quá trình theo đuổi pin thể rắn. Những vật liệu này là giải pháp thay thế an toàn hơn cho chất điện phân lỏng truyền thống—một dung dịch cho phép các ion di chuyển bên trong cell—được sử dụng trong pin ngày nay. Tuy nhiên, cần có những khái niệm mới để thúc đẩy hiệu suất của chất điện phân polyme rắn hiện tại trở nên khả thi đối với các vật liệu thế hệ tiếp theo.
Các nhà nghiên cứu khoa học và kỹ thuật vật liệu tại Đại học Illinois Urbana-Champaign đã khám phá vai trò của cấu trúc thứ cấp xoắn ốc đối với độ dẫn điện của chất điện phân polyme peptide thể rắn và phát hiện ra rằng cấu trúc xoắn ốc cho thấy độ dẫn điện được cải thiện đáng kể so với các chất điện phân "cuộn ngẫu nhiên".
Họ cũng phát hiện ra rằng các vòng xoắn dài hơn dẫn đến độ dẫn điện cao hơn và cấu trúc xoắn làm tăng độ ổn định tổng thể của vật liệu đối với nhiệt độ và điện áp.
Nghiên cứu của họ, "Cấu trúc peptide xoắn cải thiện độ dẫn điện và độ ổn định của chất điện phân rắn", đã được công bố trên tạp chí Nature Materials.
"Chúng tôi đã giới thiệu khái niệm sử dụng cấu trúc thứ cấp—xoắn ốc—để thiết kế và cải thiện đặc tính vật liệu cơ bản về độ dẫn điện ion trong vật liệu rắn", Giáo sư Chris Evans, người đứng đầu công trình này, cho biết. "Đây là cùng một vòng xoắn mà bạn sẽ tìm thấy trong các peptide trong sinh học, chúng tôi chỉ sử dụng nó vì những lý do không phải sinh học".
Các polyme có xu hướng áp dụng các cấu hình ngẫu nhiên, nhưng xương sống của polyme có thể được kiểm soát và thiết kế để tạo thành cấu trúc xoắn ốc, giống như DNA. Do đó, polyme sẽ có mômen lưỡng cực lớn—sự tách biệt quy mô lớn giữa các điện tích dương và âm.
Dọc theo chiều dài của xoắn ốc, các mômen lưỡng cực nhỏ của từng đơn vị peptide riêng lẻ sẽ cộng lại để tạo thành macrodipole, làm tăng cả độ dẫn điện và hằng số điện môi—một thước đo khả năng lưu trữ năng lượng điện của vật liệu—của toàn bộ cấu trúc và cải thiện quá trình vận chuyển điện tích. Peptide càng dài thì độ dẫn điện của xoắn ốc càng cao.
Evans nói thêm, "Những polyme này ổn định hơn nhiều so với các polyme thông thường—xoắn ốc là một cấu trúc rất chắc chắn. Bạn có thể đạt đến nhiệt độ hoặc điện áp cao so với các polyme cuộn ngẫu nhiên và nó không bị phân hủy hoặc mất xoắn ốc. Chúng tôi không thấy bất kỳ bằng chứng nào cho thấy polyme bị phân hủy trước khi chúng tôi muốn."
Hơn nữa, vì vật liệu được làm từ peptide nên nó có thể bị phân hủy trở lại thành các đơn vị monome riêng lẻ bằng cách sử dụng enzyme hoặc axit khi pin bị hỏng hoặc hết tuổi thọ hữu ích. Các vật liệu ban đầu có thể được thu hồi và tái sử dụng sau quá trình tách, giúp giảm tác động đến môi trường.
Chris Evans cũng là thành viên của Phòng thí nghiệm nghiên cứu vật liệu (MRL) và Viện khoa học và công nghệ tiên tiến Beckman tại Illinois.
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
