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Eletrólitos de estado sólido têm sido explorados por décadas para uso em sistemas de armazenamento de energia e na busca por baterias de estado sólido. Esses materiais são alternativas mais seguras ao eletrólito líquido tradicional — uma solução que permite que os íons se movam dentro da célula — usado em baterias hoje. No entanto, novos conceitos são necessários para impulsionar o desempenho dos eletrólitos de polímero sólido atuais para que sejam viáveis para materiais de próxima geração.
Pesquisadores de ciência e engenharia de materiais da University of Illinois Urbana-Champaign exploraram o papel da estrutura secundária helicoidal na condutividade de eletrólitos de polímeros peptídicos de estado sólido e descobriram que a estrutura helicoidal mostra condutividade muito melhorada em comparação com as contrapartes “random coil”. Eles também descobriram que hélices mais longas levam a uma condutividade mais alta e que a estrutura helicoidal aumenta a estabilidade geral do material à temperatura e à voltagem.
“Nós introduzimos o conceito de usar a estrutura secundária — a hélice — para projetar e melhorar a propriedade básica do material de condutividade iônica em materiais sólidos”, diz o professor Chris Evans, que liderou este trabalho. “É a mesma hélice que você encontraria em peptídeos na biologia, nós a estamos usando apenas por razões não biológicas.”
Polímeros tendem a adotar configurações aleatórias, mas a espinha dorsal do polímero pode ser controlada e projetada para formar uma estrutura helicoidal, como o DNA. Como consequência, o polímero terá um momento macrodipolo — uma separação em larga escala de cargas positivas e negativas. Ao longo do comprimento da hélice, os pequenos momentos dipolo de cada unidade peptídica individual se somarão para formar o macrodipolo, que aumenta tanto a condutividade quanto a constante dielétrica — uma medida da capacidade de um material de armazenar energia elétrica — de toda a estrutura e melhora o transporte de carga. Quanto maior o peptídeo, maior a condutividade da hélice.
Evans acrescenta: “Esses polímeros são muito mais estáveis do que polímeros típicos — a hélice é uma estrutura muito robusta. Você pode ir a altas temperaturas ou voltagens em comparação com polímeros de bobina aleatória, e ele não se degrada ou perde a hélice. Não vemos nenhuma evidência de que o polímero se quebre antes do que queremos.”
Além disso, como o material é feito de peptídeos, ele pode ser degradado de volta em unidades monoméricas individuais usando enzimas ou ácido quando a bateria falha ou chega ao fim de sua vida útil. Os materiais de partida podem ser recuperados e reutilizados após um processo de separação, reduzindo seu impacto ambiental.
Esta pesquisa, “Estrutura de peptídeo helicoidal melhora a condutividade e a estabilidade de eletrólitos sólidos”, foi publicada em Materiais da Natureza.
Chris Evans também é afiliado do Laboratório de Pesquisa de Materiais (MRL) e do Instituto Beckman de Ciência e Tecnologia Avançada em Illinois.
Outros colaboradores deste trabalho incluem Yingying Chen (departamento de ciência e engenharia de materiais, MRL e Instituto Beckman de Ciência e Tecnologia Avançada, Illinois), Tianrui Xue (departamento de ciência e engenharia de materiais, MRL e Instituto Beckman de Ciência e Tecnologia Avançada, Illinois), Chen Chen (departamento de ciência e engenharia de materiais, MRL e Instituto Beckman de Ciência e Tecnologia Avançada, Illinois), Seongon Jang (departamento de ciência e engenharia de materiais, MRL e Instituto Beckman de Ciência e Tecnologia Avançada, Illinois), Paul Braun (departamento de ciência e engenharia de materiais, MRL e Instituto Beckman de Ciência e Tecnologia Avançada, Illinois) e Jianjun Cheng (Ciência e Engenharia de Materiais, Universidade Westlake, China).
Esta pesquisa foi financiada pela Fundação Nacional de Ciências dos EUA e pelo Departamento de Energia dos EUA, Escritório de Ciências Básicas, Divisão de Ciência e Engenharia de Materiais.
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