UD-opfindelsen har til formål at forbedre batteriets ydeevne

Forestil dig en verden, hvor mobiltelefoner og bærbare computere kan oplades på få minutter i stedet for timer, rullet sammen og opbevaret i lommen, eller tabt uden at tage skade. Det er muligt, ifølge University of Delaware professor Thomas H. Epps, III, men materialerne er der ikke endnu.

Så, hvad holder teknologien tilbage?

Til at begynde med, det ville kræve mere ledende, fleksible og lettere batterier, sagde Epps, hvem er Thomas og Kipp Gutshall professor i kemi- og biomolekylær teknik og professor ved Institut for Materialevidenskab og Teknik på UD.

Batterierne skal være mere slagfaste og sikrere, også. I maj, en e-cigaret eksploderede i Florida og dræbte en mand. Beviser tyder angiveligt på, at denne uheldige ulykke kan skyldes batterirelaterede problemer, ifølge U.S. Food and Drug Administration. Lignende problemer har plaget enheder som Samsung Galaxy Note 7 og hjælpestrømsenheder fra Boeing Dreamliner.

"Alle disse udfordringer kom fra batterier, der har problemer med sikkerhed og stabilitet, når målet er at presse ydeevnen, " sagde Epps, en ekspert i at designe og fremstille ledende membraner, der er nyttige i energigenerering og lagringsenheder.

En måde at overvinde denne udfordring i lithium-ion-batterierne til ovennævnte enheder er at forbedre batterimembranerne - og de tilhørende elektrolytter - der er designet til at transportere lithium-ionerne, som udligner den elektriske ladning forbundet med opladning og afladning af batteriet.

På UD, Epps' team har patenteret en idé om at forbedre batteriets ydeevne ved at indføre tapere i polymermembranens elektrolytter, der tillader lithium-ionerne inde i batteriet at rejse frem og tilbage hurtigere.

Det er en stor idé, der begynder med små dele.

Lille videnskab, stor indflydelse

Det hele starter med polymerer, som er materialer lavet af små molekyler spændt sammen som perler på en halskæde for at skabe en lang kæde. Ved kemisk at forbinde to eller flere polymerkæder med forskellige egenskaber, ingeniører kan oprette blokpolymerer, der udnytter de fremtrædende træk fra begge materialer. For eksempel, polystyren i en isoporskål er relativt hård og sprød, mens polyisopren (tappet fra et gummitræ) er tyktflydende og melasse-lignende. Når disse to polymerer er forbundet kemisk, ingeniører kan skabe materialer til hverdagsting som bildæk og gummibånd - materialer, der holder deres form, men som er slagfaste og strækbare.

Epps blev introduceret til at blokere polymerer som bachelorstuderende ved Massachusetts Institute of Technology, mens han arbejdede i laboratoriet af professor Paula Hammond, og igen, da han arbejdede hos Goodyear Tire &Rubber Company under Adel Halasa som en del af et GEM Fellowship. Goodyear udforskede brugen af ​​koniske flerkomponentpolymerer for at skabe dæk med mere elasticitet, dæk, der ville holde bedre på vejen uden at ofre ydeevne eller holdbarhed.

År senere, i arbejde på UD, Epps' gruppe tog ideen et skridt videre og indså, at de kunne tune nanoskalaen (1/1, 000. bredden af ​​et menneskehår) struktur af disse polymerer for at gennemsyre materialer med visse mekaniske, termiske og ledningsevne egenskaber.

En af fordelene ved blokpolymerer er, at de tillader forskere at kombinere to eller flere komponenter, der ofte er kemisk uforenelige, hvilket betyder, at de ikke blandes (tænk på olie og vand). Den samme fordel, imidlertid, kan give udfordringer med, hvordan materialerne kan forarbejdes. Epps-gruppen fastslog, at tilspidsning af området, hvor de to forskellige polymerkæder forbinder, kan fremme blanding mellem meget uforenelige materialer på en måde, der gør forarbejdning og fremstilling hurtigere og billigere ved at kræve enten mindre energi eller mindre opløsningsmiddel i fremstillingsprocessen.

Manipulering af tilspidsningen gjorde det også muligt for forskerne at kontrollere de nanoskalastrukturer, der kan dannes af blokpolymererne. Ved at inkorporere konerne, Epps' team kan skabe netværk i nanoskala, der gør batterimaterialerne mere ledende – introducerer motorveje i nanoskala og eliminerer trafikflaskehalse, tillader ioner at bevæge sig ved højere hastigheder og gør polymeren mere effektiv i batteriapplikationer.

"Teknisk set, vi ønsker at lede ioner hurtigere ... denne fremgangsmåde i polymerer ville give os mulighed for at få mere strøm ud af batterierne. Det ville gøre det muligt for batterierne at oplade hurtigere, på en måde, der også er mere sikker. Vi er der ikke endnu, men det er målet " sagde Epps, som patenterede konceptet gennem UDs kontor for økonomisk innovation og partnerskaber.

Han kalder dette arbejde en "designertilgang" til polymervidenskab.

Priyanka Ketkar, en ph.d.-studerende i kemi- og biomolekylær teknik, ønsker at gøre en forskel i verden gennem forskning. Ketkar beskrev Epps-forskningsgruppen som en god pasform, hvor hun træner sin mentale muskel på følgeproblemer relateret til energilagring.

I laboratorieforsøg, Ketkar og andre i Epps-gruppen har vist, at indførelsen af ​​et tilspidset område mellem polymerelektrolytkæder faktisk øgede den samlede ioniske ledningsevne over en række temperaturer. Ved stuetemperatur, for eksempel, de tilspidsede materialer er dobbelt så ledende som deres ikke-koniske modstykker. Men det er ikke alt. Tilspidsningen forbedrer materialets evne til at blive bearbejdet, også.

"Tidligere metoder til at øge ledningsevnen har enten gjort polymeren sværere at behandle eller brugt større mængder kemisk opløsningsmiddel, hvilket gør materialet mere brandfarligt og mindre miljøvenligt, " sagde Ketkar. "Det er derfor, jeg er virkelig begejstret for denne nye tilgang."

Designerpolymererne er nyttige til lithium-ion-batterier, men også anvendelig til andre genopladelige systemer, såsom natrium-ion- og kalium-ion-batterier, Sagde Epps. Andre applikationer omfatter brug af tilspidsede polymerer til at fremstille materialer, der kan fremstilles ved lavere temperaturer eller med mindre opløsningsmiddel til applikationer såsom dæk, gummibånd og klæbemidler.

Fremtidige applikationer inkluderer fleksible batterier

Mens teknologien skyder fremad, Epps forventer, at de næste fem til ti år vil indlede en overflod af enheder, der kan bøje og rulle, såsom mobiltelefoner og computere.

"Den eneste måde dette fungerer på er, hvis alle komponenterne er fleksible, inklusive batteri og strømenheder, ikke kun tilfældet, skærm eller knapper, " sagde Epps. "Dette aspekt er, hvor blokpolymerer bliver virkelig ideelle, fordi - som et gummibånd, der husker sin form på trods af strækning, bøjning og anden manipulation - med polymerer, du kan gøre de interne komponenter mere slagfaste og stødabsorberende, hvilket vil forbedre telefonens levetid."

Der kan være andre anvendelser for designerpolymerer, også.

"Hvad nu hvis der var en sensor inde i fodbolden, der var designet til at advare dommerne, når en spiller krydser en bestemt yard, sige til en første nedtur, " sagde Epps. "Du behøver ikke at stole på en officials syn på banen eller øjeblikkelig gentagelse."

Men, fodbolde bliver kastet rundt, og de spillere, der holder dem, bliver ofte ramt.

"Du ville have brug for noget, der ikke vil gå i stykker eller lække, så ved at bruge en polymer, der har materialeegenskaberne f.eks. et gummibånd, der også kan lede ioner som et batteri ville være en perfekt løsning, " sagde Epps. "Denne vej er en retning, hvor du kunne forestille dig, at disse materialer blomstrer."

Epps blev for nylig udnævnt til fellow i Royal Society of Chemistry, med base i Det Forenede Kongerige. For at modtage denne ære, videnskabsmænd må have haft indflydelse i de kemiske videnskaber.