دانشگاه کرنل به رکوردی در هدایت رسانایی باتری‌های لیتیومی دست یافت و آن‌ها را ایمن‌تر می‌کند
پژوهشگران دانشگاه کرنل از ترکیب نوآورانه‌ای از ماکروسایکل‌ها و مولکول‌های قفسی جهت دستیابی به رسانایی بسیار بالا در باتری‌های لیتیوم-یونی حالت‌جامد استفاده کردند. این تحقیق راه را برای ایجاد باتری‌هایی بسیار ایمن‌تر در آینده نزدیک هموار می‌کند.
باتری‌های لیتیوم یونی (Li-ion) برای انتقال به منابع انرژی پاک‌تر و سبزتر حیاتی هستند. در ساختارهای رایج باتری‌های Li-ion، یون‌های حامل جریان الکتریکی در یک الکترولیت مایع حرکت می‌کنند. با این حال، الکترولیت‌های مایع می‌توانند دندریت‌های نوک تیزی بین آند و کاتد، دو قطب باتری، تشکیل دهند.
یک مدار جدید می‌تواند به این ترتیب باتری را کوتاه کند و آن را بی‌مصرف کند. بدتر از آن، حتی می‌تواند باعث انفجار باتری شود. این امر دلیل حوادث آتش‌سوزی با باتری‌های Li-ion بوده است.
یک گزینه جایگزین استفاده از باتری‌های حالت‌جامد است. با این حال، یون‌ها به دلیل مقاومت بیشتر، در الکترولیت جامد آهسته‌تر حرکت می‌کنند.
کریستال متخلخل برای جریان بهتر یون
یک تیم تحقیقاتی به رهبری یو ژانگ، استادیار علوم و مهندسی مواد در دانشگاه کرنل، با ایده ساخت کریستال متخلخلی که اجازه می‌دهد یون‌ها به نرمی بیشتری درون الکترولیت حالت‌جامد حرکت کنند، آمد.
برای عملکرد مؤثر، کریستال باید دارای غلظت یون بالایی باشد ولی همچنان با یون‌های لیتیوم تفاعل ضعیفی داشته باشد تا حرکت آسان آن‌ها را تسهیل کند. دانشجوی ژانگ، یوژه وانگ، روشی برای ترکیب دو ساختار مولکولی غیرعادی، ماکروسایکل‌ها و قفس‌های مولکولی که اشکال مکملی دارند، ابداع کرد.
وانگ در یک بیانیه مطبوعاتی گفت: "هر دو ماکروسایکل‌ها و قفس‌های مولکولی دارای تخلخل‌های ذاتی‌ای هستند که یون‌ها می‌توانند در آن بشینند و عبور کنند." "با استفاده از آن‌ها به عنوان بلوک‌های ساختمانی برای کریستال‌های متخلخل، کریستال دارای فضاهای بزرگی برای ذخیره یون‌ها و کانال‌های متصل برای انتقال یون‌ها خواهد بود."
رکورد رسانایی بسیار بالا
ماکروسایکل‌ها مولکول‌هایی با حلقه‌های متشکل از 12 اتم یا بیشتر هستند، در حالی که قفس‌های مولکولی شامل ترکیبات چند حلقه‌ای‌اند. کریستال متخلخلی که توسط محققان ساخته شد، شامل یک قفس مولکولی در مرکز و سه ماکروسایکل متصل به صورت شعاعی به آن، شبیه به بال‌ها است.
دو جزء توسط پیوندهای هیدروژنی به هم متصل می‌شوند و به دلیل اشکال درهم‌تنیده‌شان، به صورت خودگردان به کریستال‌های نانوپرسورای بزرگتر سه‌بعدی تبدیل می‌شوند. ساختار خودگردان دارای کانال‌های یک بعدی است که یون‌ها می‌توانند از آن عبور کنند.
به گفته بیانیه مطبوعاتی دانشگاه، محققان به رسانایی یونی تا 8.3 X 10-4 زیمنس بر سانتی‌‌متر دست یافتند. "این رسانایی رکورد بالایی برای این الکترولیت‌های حالت‌جامد لیتیوم-یونی مبتنی بر مولکول است،" ژانگ افزود.
به دلیل ماهیت خودگردان کریستال، محققان اطلاعات کمی در مورد چگونگی تشکیل و عملکرد آن داشتند. بنابراین، آن‌ها با سایر محققان در دانشگاه تیم تشکیل دادند تا با استفاده از میکروسکوپ الکترونی پیمایشی به بررسی ساختار و شبیه‌سازی‌ها برای تعیین تعامل با یون‌های لیتیم بپردازند.
علاوه بر ساخت باتری‌های لیتیوم-یونی ایمن‌تر تنها به این محدود نمی‌شود. "قفس مولکولی و ماکروسایکل برای مدتی شناخته شده بودند، اما چگونگی بهره‌برداری واقعا از هندسه منحصر به فرد این دو مولکول برای هدایت خودگردانی ساختارهای جدید و پیچیده‌تر همچنان عرصه‌ای کشف‌نشده است،" ژانگ در انتشار مطبوعاتی گفت.
تیم تحقیقاتی اکنون روی سنتز مولکول‌های جدید و دستیابی به هندسه‌های جدید با این مولکول‌ها کار می‌کند. کاربردهای احتمالی شامل جداسازی یون‌ها برای تصفیه آب و ساخت ساختارهای یون-الکترون مختلط برای مدارها و سنسورهای زیست‌الکترونیکی است.
یافته‌های تحقیق در مجله انجمن شیمی آمریکا منتشر شد.
