Erhöhung der Leitfähigkeit und Stabilität von Festkörperelektrolyten durch Helixstruktur
Festkörperelektrolyte werden seit Jahrzehnten für den Einsatz in Energiespeichersystemen und bei der Entwicklung von Festkörperbatterien erforscht. Diese Materialien sind sicherere Alternativen zu den herkömmlichen flüssigen Elektrolyten - einer Lösung, die es den Ionen ermöglicht, sich innerhalb der Zelle zu bewegen -, die heute in Batterien verwendet werden. Es sind jedoch neue Konzepte erforderlich, um die Leistung der derzeitigen festen Polymerelektrolyte zu steigern und sie für die nächste Generation von Materialien nutzbar zu machen.
Künstlerische Darstellung eines schraubenförmigen Peptidpolymerelektrolyten mit dem durch einen Pfeil angedeuteten Makrodipol mit positiven und negativen Ladungen.
The Grainger College of Engineering at the University of Illinois Urbana-Champaign
Materialwissenschaftler und Ingenieure der University of Illinois Urbana-Champaign haben die Rolle der spiralförmigen Sekundärstruktur für die Leitfähigkeit von Peptidpolymerelektrolyten im festen Zustand untersucht und festgestellt, dass die spiralförmige Struktur im Vergleich zu den "zufälligen Spulen" eine stark verbesserte Leitfähigkeit aufweist. Sie fanden auch heraus, dass längere Helices zu einer höheren Leitfähigkeit führen und dass die Helixstruktur die Gesamtstabilität des Materials gegenüber Temperatur und Spannung erhöht.
"Wir haben das Konzept der Sekundärstruktur - die Helix - eingeführt, um die grundlegende Materialeigenschaft der Ionenleitfähigkeit in festen Materialien zu entwickeln und zu verbessern", sagt Professor Chris Evans, der diese Arbeit geleitet hat. "Es ist dieselbe Helix, die man in Peptiden in der Biologie findet, wir verwenden sie nur aus nicht-biologischen Gründen."
Polymere neigen dazu, zufällige Konfigurationen anzunehmen, aber das Rückgrat des Polymers kann kontrolliert und so gestaltet werden, dass es eine spiralförmige Struktur wie die DNA bildet. Das hat zur Folge, dass das Polymer ein Makrodipolmoment aufweist - eine großflächige Trennung von positiven und negativen Ladungen. Entlang der Helix summieren sich die kleinen Dipolmomente jeder einzelnen Peptideinheit zu einem Makrodipol, der sowohl die Leitfähigkeit als auch die Dielektrizitätskonstante - ein Maß für die Fähigkeit eines Materials, elektrische Energie zu speichern - der gesamten Struktur erhöht und den Ladungstransport verbessert. Je länger das Peptid ist, desto höher ist die Leitfähigkeit der Helix.
Evans fügt hinzu: "Diese Polymere sind viel stabiler als typische Polymere - die Helix ist eine sehr robuste Struktur. Im Vergleich zu Polymeren mit zufälligen Windungen kann man sie hohen Temperaturen oder Spannungen aussetzen, ohne dass sie sich abbauen oder die Helix verlieren. Wir sehen keine Anzeichen dafür, dass sich das Polymer auflöst, bevor wir es wollen.
Da das Material aus Peptiden besteht, kann es außerdem mit Hilfe von Enzymen oder Säure wieder in einzelne Monomereinheiten zerlegt werden, wenn die Batterie ausgefallen ist oder das Ende ihrer Lebensdauer erreicht hat. Die Ausgangsstoffe können nach einem Trennungsprozess zurückgewonnen und wiederverwendet werden, was die Umweltbelastung verringert.
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