Художественное изображение спирального пептидного полимерного электролита с макродиполем, обозначенным стрелкой с положительным и отрицательным зарядами. Кредит: Инженерный колледж Грейнджера при Иллинойсском университете в Урбане-Шампейне
Твердотельные электролиты изучались десятилетиями для использования в системах хранения энергии и в стремлении к твердотельным батареям. Эти материалы являются более безопасными альтернативами традиционному жидкому электролиту — раствору, который позволяет ионам перемещаться внутри ячейки — используемому в батареях сегодня. Однако необходимы новые концепции, чтобы повысить производительность текущих твердых полимерных электролитов, чтобы они стали жизнеспособными для материалов следующего поколения.
Исследователи в области материаловедения и инженерии в Университете Иллинойса в Урбане-Шампейне изучили роль спиральной вторичной структуры в проводимости твердотельных пептидных полимерных электролитов и обнаружили, что спиральная структура демонстрирует значительно более высокую проводимость по сравнению с аналогами «случайной катушки».
Они также обнаружили, что более длинные спирали приводят к более высокой проводимости и что спиральная структура увеличивает общую устойчивость материала к температуре и напряжению.
Их исследование «Спиральная пептидная структура улучшает проводимость и стабильность твердых электролитов» было опубликовано в Nature Materials.
«Мы ввели концепцию использования вторичной структуры — спирали — для проектирования и улучшения основного свойства материала ионной проводимости в твердых материалах», — говорит профессор Крис Эванс, который руководил этой работой. «Это та же самая спираль, которую вы найдете в пептидах в биологии, мы просто используем ее по небиологическим причинам».
Полимеры, как правило, принимают случайные конфигурации, но основу полимера можно контролировать и проектировать для формирования спиральной структуры, как ДНК. Как следствие, полимер будет иметь макродипольный момент — крупномасштабное разделение положительных и отрицательных зарядов.
По всей длине спирали небольшие дипольные моменты каждой отдельной пептидной единицы будут складываться, образуя макродиполь, который увеличивает как проводимость, так и диэлектрическую проницаемость — меру способности материала хранить электрическую энергию — всей структуры и улучшает перенос заряда. Чем длиннее пептид, тем выше проводимость спирали.
Эванс добавляет: «Эти полимеры гораздо более стабильны, чем типичные полимеры — спираль представляет собой очень прочную структуру. Вы можете подвергаться воздействию высоких температур или напряжений по сравнению с полимерами со случайной спиралью, и они не разрушаются и не теряют спираль. Мы этого не делаем. Мы не видим никаких доказательств того, что полимер распадается раньше, чем мы этого хотим».
Кроме того, поскольку материал состоит из пептидов, его можно разложить обратно на отдельные мономерные единицы с помощью ферментов или кислоты, когда батарея разряжается. вышел из строя или достиг конца срока службы. Исходные материалы можно восстановить и повторно использовать после процесса разделения, что снижает его воздействие на окружающую среду.
Крис Эванс также является филиалом Лаборатории исследования материалов (MRL) и Института передовых наук и технологий Бекмана в Иллинойсе. .
Дополнительная информация: Иньин Чен и др., Спиральная структура пептида улучшает проводимость и стабильность твердых электролитов, Природные материалы ( 2024). DOI: 10.1038/s41563-024-01966-1
Информация журнала: Материалы природы
Предоставлено Инженерным колледжем Грейнджера Университета Иллинойса
