Durch die Verschmelzung von zwei verdrehten Molekülstrukturen schufen Forscher aus Cornell einen porösen Kristall, der Lithium-Ionen-Elektrolyte aufnehmen und reibungslos über eindimensionale Nanokanäle transportieren kann – ein Design, das zu sichereren Lithium-Ionen-Festkörperbatterien führen könnte. Das Projekt wurde von Yu Zhong, Assistenzprofessor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen in Cornell Engineering und Hauptautor der Arbeit, geleitet, dessen Labor auf die Synthese „weicher“ und nanoskaliger Materialien spezialisiert ist, die Energiespeicher- und Nachhaltigkeitstechnologien voranbringen können.
Zhong war gerade erst vor zwei Jahren an die Cornell-Fakultät gekommen, als er von Wang, einem Austauschstudenten im ersten Studienjahr, kontaktiert wurde, der sich für ein Forschungsprojekt begeistern konnte. Ganz oben auf Zhongs Liste potenzieller Themen stand die Suche nach einer Möglichkeit, eine sicherere Lithium-Ionen-Batterie herzustellen. In herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien werden die Ionen über flüssige Elektrolyte transportiert. Flüssige Elektrolyte können jedoch stachelige Dendriten zwischen der Anode und der Kathode der Batterie bilden, die die Batterie kurzschließen oder in seltenen Fällen explodieren lassen.
Eine Festkörperbatterie wäre sicherer, aber das bringt seine eigenen Probleme mit sich. Ionen bewegen sich langsamer durch Festkörper, weil sie auf mehr Widerstand stoßen. Zhong wollte einen neuen Kristall entwerfen, der porös genug ist, damit sich die Ionen durch eine Art von Pfad bewegen können. Dieser Weg müsste glatt sein und schwache Wechselwirkungen zwischen den Lithiumionen und dem Kristall aufweisen, damit die Ionen nicht festkleben. Außerdem müsste der Kristall genügend Ionen aufnehmen, um eine hohe Ionenkonzentration zu gewährleisten. Unterstützt durch ein Stipendium der College Engineering Learning Initiatives machte sich Wang an die Arbeit und entwickelte eine Methode zur Verschmelzung von zwei exzentrischen Molekülstrukturen, die komplementäre Formen haben: Makrozyklen und molekulare Käfige.
Ionentransport durch Makrozyklen
Makrozyklen sind Moleküle mit Ringen aus 12 oder mehr Atomen, und molekulare Käfige sind mehrringige Verbindungen, die ihrem Namen mehr oder weniger ähneln. „Sowohl Makrozyklen als auch molekulare Käfige haben intrinsische Poren, in denen Ionen sitzen und hindurchgehen können“, so Wang. „Wenn man sie als Bausteine für poröse Kristalle verwendet, hätte der Kristall große Räume, um Ionen zu speichern, und miteinander verbundene Kanäle für den Ionentransport.“
Wang fügte die Komponenten zusammen, mit einem molekularen Käfig in der Mitte und drei Makrozyklen, die radial angebracht sind, wie Flügel oder Arme. Diese Makrozyklus-Käfig-Moleküle nutzen Wasserstoffbrücken und ihre ineinandergreifenden Formen, um sich selbst zu größeren, komplizierteren, dreidimensionalen Kristallen zusammenzufügen, die nanoporös sind und eindimensionale Kanäle aufweisen – „der ideale Weg für den Ionentransport“, so Zhong –, die eine Ionenleitfähigkeit von bis zu 8,3 × 10-4 Siemens pro cm erreichen.
„Diese Leitfähigkeit ist der Rekord für diese molekülbasierten, festen Lithium-Ionen-leitenden Elektrolyte“, so Zhong. Deshalb arbeiteten sie mit Judy Cha, Professorin für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen, die die Struktur mit Hilfe der Rastertransmissionselektronenmikroskopie untersuchte, und Jingjie Yeo, Assistenzprofessor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik, dessen Simulationen die Wechselwirkungen zwischen den Molekülen und den Lithiumionen verdeutlichten. „Mit allen Teilen zusammen haben wir schließlich ein gutes Verständnis dafür entwickelt, warum diese Struktur wirklich gut für den Ionentransport ist und warum wir mit diesem Material eine so hohe Leitfähigkeit erhalten“, sagte Zhong.
Ausblick auf zukünftige Forschung
Neben der Herstellung von sichereren Lithium-Ionen-Batterien könnte das Material auch zur Trennung von Ionen und Molekülen bei der Wasseraufbereitung und zur Herstellung von gemischten ionen- und elektronenleitenden Strukturen für bioelektronische Schaltkreise und Sensoren verwendet werden.
„Dieses Makrozyklus-Käfig-Molekül ist definitiv etwas Neues in dieser Gemeinschaft“, sagte Zhong. „Der molekulare Käfig und der Makrozyklus sind schon länger bekannt, aber wie man die einzigartige Geometrie dieser beiden Moleküle wirklich nutzen kann, um die Selbstorganisation neuer, komplizierterer Strukturen zu steuern, ist ein unerforschtes Gebiet. In unserer Gruppe arbeiten wir an der Synthese verschiedener Moleküle und daran, wie wir sie zusammensetzen und ein Molekül mit einer anderen Geometrie herstellen können, so dass wir alle Möglichkeiten zur Herstellung neuer nanoporöser Materialien erweitern können. Vielleicht für die Leitfähigkeit von Lithium-Ionen, vielleicht aber auch für viele andere Anwendungen.“
