Augmentation de la conductivité et de la stabilité des électrolytes à l'état solide grâce à une structure hélicoïdale

12.08.2024

Les électrolytes solides sont étudiés depuis des décennies pour être utilisés dans les systèmes de stockage d'énergie et dans la recherche de batteries à l'état solide. Ces matériaux constituent des alternatives plus sûres à l'électrolyte liquide traditionnel - une solution qui permet aux ions de se déplacer à l'intérieur de la cellule - utilisé aujourd'hui dans les batteries. Toutefois, de nouveaux concepts sont nécessaires pour améliorer les performances des électrolytes polymères solides actuels et les rendre viables pour les matériaux de la prochaine génération.

Des chercheurs en science et ingénierie des matériaux de l'université de l'Illinois Urbana-Champaign ont étudié le rôle de la structure secondaire hélicoïdale sur la conductivité des électrolytes polymères peptidiques à l'état solide et ont constaté que la structure hélicoïdale présentait une conductivité nettement supérieure à celle des homologues à "enroulement aléatoire". Ils ont également constaté que des hélices plus longues conduisaient à une conductivité plus élevée et que la structure hélicoïdale augmentait la stabilité globale du matériau à la température et à la tension.

"Nous avons introduit le concept d'utilisation d'une structure secondaire - l'hélice - pour concevoir et améliorer la propriété fondamentale de la conductivité ionique dans les matériaux solides", explique le professeur Chris Evans, qui a dirigé ces travaux. "Il s'agit de la même hélice que l'on trouve dans les peptides en biologie, mais nous l'utilisons pour des raisons non biologiques.

Les polymères ont tendance à adopter des configurations aléatoires, mais le squelette du polymère peut être contrôlé et conçu pour former une structure hélicoïdale, comme l'ADN. En conséquence, le polymère aura un moment macrodipôle, c'est-à-dire une séparation à grande échelle des charges positives et négatives. Sur la longueur de l'hélice, les petits moments dipolaires de chaque unité peptidique individuelle s'additionnent pour former le macrodipôle, ce qui augmente à la fois la conductivité et la constante diélectrique - une mesure de la capacité d'un matériau à stocker l'énergie électrique - de l'ensemble de la structure et améliore le transport des charges. Plus le peptide est long, plus la conductivité de l'hélice est élevée.

Evans ajoute : "Ces polymères sont beaucoup plus stables que les polymères typiques - l'hélice est une structure très robuste. Par rapport aux polymères à bobines aléatoires, on peut atteindre des températures ou des tensions élevées sans que l'hélice ne se dégrade ou ne se perde. Nous ne voyons aucune preuve que le polymère se décompose avant que nous ne le souhaitions".

En outre, comme le matériau est fabriqué à partir de peptides, il peut être dégradé en unités monomères individuelles à l'aide d'enzymes ou d'acide lorsque la batterie est défaillante ou a atteint la fin de sa durée de vie utile. Les matériaux de départ peuvent être récupérés et réutilisés après un processus de séparation, ce qui réduit l'impact sur l'environnement.

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Publication originale

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.chemeurope.com/fr/news/1184161/augmentation-de-la-conductivite-et-de-la-stabilite-des-electrolytes-a-l-etat-solide-grace-a-une-structure-helicoidale.html