Aumento de la conductividad y estabilidad de electrolitos en estado sólido mediante estructura helicoidal

12.08.2024

Los electrolitos de estado sólido llevan décadas estudiándose para su uso en sistemas de almacenamiento de energía y en la búsqueda de baterías de estado sólido. Estos materiales son alternativas más seguras al electrolito líquido tradicional -una solución que permite que los iones se muevan dentro de la célula- que se utiliza hoy en día en las baterías. Sin embargo, se necesitan nuevos conceptos para impulsar el rendimiento de los electrolitos poliméricos sólidos actuales y hacerlos viables para la próxima generación de materiales.

Investigadores de ciencia e ingeniería de materiales de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign han estudiado el papel de la estructura secundaria helicoidal en la conductividad de los electrolitos poliméricos peptídicos en estado sólido y han descubierto que la estructura helicoidal presenta una conductividad muy superior a la de sus homólogos de "bobina aleatoria". También descubrieron que las hélices más largas conducen a una mayor conductividad y que la estructura helicoidal aumenta la estabilidad general del material frente a la temperatura y el voltaje.

"Introdujimos el concepto de utilizar la estructura secundaria -la hélice- para diseñar y mejorar la propiedad material básica de la conductividad iónica en materiales sólidos", afirma el profesor Chris Evans, que dirigió este trabajo. "Es la misma hélice que se encuentra en los péptidos en biología, sólo que la estamos utilizando por razones no biológicas".

Los polímeros tienden a adoptar configuraciones aleatorias, pero la columna vertebral del polímero puede controlarse y diseñarse para formar una estructura helicoidal, como el ADN. Como consecuencia, el polímero tendrá un momento macrodipolar, una separación a gran escala de cargas positivas y negativas. A lo largo de la hélice, los pequeños momentos dipolares de cada unidad individual de péptido se sumarán para formar el macrodipolo, lo que aumenta tanto la conductividad como la constante dieléctrica -una medida de la capacidad de un material para almacenar energía eléctrica- de toda la estructura y mejora el transporte de cargas. Cuanto más largo sea el péptido, mayor será la conductividad de la hélice.

Evans añade: "Estos polímeros son mucho más estables que los polímeros típicos: la hélice es una estructura muy robusta. Se pueden someter a altas temperaturas o voltajes en comparación con los polímeros de bobina aleatoria, y no se degrada ni pierde la hélice. No vemos ningún indicio de que el polímero se descomponga antes de lo deseado".

Además, como el material está hecho de péptidos, puede volver a degradarse en unidades monoméricas individuales mediante enzimas o ácido cuando la pila ha fallado o ha llegado al final de su vida útil. Los materiales de partida pueden recuperarse y reutilizarse tras un proceso de separación, lo que reduce su impacto ambiental.

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Publicación original

Yingying Chen, Tianrui Xue, Chen Chen, Seongon Jang, Paul V. Braun, Jianjun Cheng, Christopher M. Evans; "Helical peptide structure improves conductivity and stability of solid electrolytes"; Nature Materials, 2024-8-6

https://www.quimica.es/noticias/1184161/aumento-de-la-conductividad-y-estabilidad-de-electrolitos-en-estado-solido-mediante-estructura-helicoidal.html