Cornell pesquisadores desenvolveram um cristal poroso capaz de absorver eletrólitos de íons de lítio e transportá-los através de nanocanais unidimensionais. Isto foi conseguido combinando duas estruturas moleculares distorcidas, conforme detalhado em um estudo publicado no Jornal da Sociedade Química Americana. O projeto tem potencial para melhorar a segurança das baterias de íon-lítio de estado sólido.
O principal autor do estudo é Yuzhe Wang ’24, com o projeto liderado por Yu Zhong, professor assistente de ciência e engenharia de materiais na Cornell Engineering. O laboratório de Zhong concentra-se no desenvolvimento de materiais macios e em nanoescala para melhorar a sustentabilidade e as tecnologias de armazenamento de energia. Wang, um estudante júnior transferido, abordou Zhong sobre a realização de um projeto de pesquisa, e eles embarcaram no desenvolvimento de baterias de íons de lítio mais seguras.
Nas baterias convencionais de íons de lítio, os eletrólitos líquidos podem causar a formação de dendritos – estruturas pontiagudas que podem causar curto-circuito na bateria ou até mesmo causar explosões. As baterias de estado sólido são mais seguras, mas enfrentam desafios devido à maior resistência, retardando o movimento dos íons através dos sólidos.
Zhong pretendia resolver essas questões criando um cristal com nanocanais grandes o suficiente para o transporte suave de íons. Wang desenvolveu uma técnica que combina duas estruturas moleculares complementares – gaiolas moleculares e macrociclos – para criar este cristal poroso.
Macrociclos são moléculas com anéis de 12 ou mais átomos; gaiolas moleculares são compostos com múltiplos anéis. Sua combinação oferece um caminho que reduz as interações entre os íons de lítio e o cristal, proporcionando transporte suave para os íons e alta concentração de íons.
O trabalho de Wang foi apoiado pelas Iniciativas de Aprendizagem de Engenharia da faculdade.
Tanto os macrociclos quanto as gaiolas moleculares têm poros intrínsecos por onde os íons podem permanecer e passar. Ao usá-los como blocos de construção para cristais porosos, o cristal teria grandes espaços para armazenar íons e canais interconectados para o transporte de íons.
Yuzhe Wang, estudante de doutorado, Instituto de Tecnologia de Massachusetts
Wang projetou a estrutura anexando três macrociclos radialmente, semelhantes a asas ou braços, a uma gaiola molecular no centro. Esses componentes então se fundiram, formando cristais tridimensionais maiores e mais complexos. Segundo Zhong, esses cristais são nanoporosos, criando canais unidimensionais que fornecem “o caminho ideally suited para o transporte de íons”.
As moléculas da gaiola do macrociclo se automontam, usando ligações de hidrogênio e suas formas interligadas para alcançar uma condutividade iônica impressionante, atingindo até 8,3 × 10-4 Siemens por centímetro.
Essa condutividade é o recorde para esses eletrólitos condutores de íons de lítio em estado sólido, baseados em moléculas.
Yu Zhong, autor sênior do estudo e professor assistente, Ciência e Engenharia de Materiais, Universidade Cornell
Para compreender melhor a composição do seu cristal, os pesquisadores trabalharam com Judy Cha, Ph.D. ’09, professor de ciência e engenharia de materiais, que examinou sua estrutura usando microscopia eletrônica de transmissão de varredura, e Jingjie Yeo, professor assistente de engenharia mecânica e aeroespacial, cujas simulações deixaram claro como as moléculas interagiam com os íons de lítio.
Zhong acrescentou: “Assim, com todas as peças juntas, finalmente estabelecemos uma boa compreensão de por que esta estrutura é realmente boa para o transporte de íons e por que obtemos uma condutividade tão alta com este materials.”
O materials pode ser usado para criar estruturas condutoras de íons e elétrons mistas para circuitos e sensores bioeletrônicos, bem como para separar íons e moléculas na purificação de água e criar baterias de íons de lítio mais seguras.
“Esta molécula de gaiola de macrociclo é definitivamente algo novo nesta comunidade. A gaiola molecular e o macrociclo são conhecidos há algum tempo, mas como você pode realmente aproveitar a geometria única dessas duas moléculas para guiar a automontagem de estruturas novas e mais complicadas é uma área inexplorada. Agora, em nosso grupo, estamos trabalhando na síntese de diferentes moléculas e como podemos montá-las e fazer uma molécula com uma geometria diferente para podermos ampliar todas as possibilidades de fazer novos materiais nanoporosos. Talvez seja para condutividade de íons de lítio ou talvez para muitas outras aplicações diferentes”, afirmou Zhong.
Aluno de doutorado Kaiyang Wang, MS ’19; o aluno de mestrado Ashutosh Garudapalli; os pesquisadores de pós-doutorado Stephen Funni e Qiyi Fang; e pesquisadores da Rice College, da College of Chicago e da Columbia College são os outros autores do estudo.
As Iniciativas de Aprendizagem de Engenharia da Cornell Engineering apoiaram o estudo.
Os pesquisadores usaram o Cornell Middle for Supplies Analysis e o Columbia College Supplies Analysis Science and Engineering Middle, ambos apoiados pelo programa Supplies Analysis Science and Engineering Middle da Nationwide Science Basis.
Referência do periódico:
Wang, Y. e outros. (2024) Montagem Supramolecular de Moléculas Fundidas em Gaiola de Macrociclo para Transporte Rápido de Íons de Lítio. Jornal da Sociedade Química Americana. doi.org/10.1021/jacs.4c08558