Ingeniører designer ny fast polymer elektrolyt, baner vejen for sikrere, mindre batterier og brændselsceller

Brændselsceller og batterier leverer elektricitet ved at generere og lokke positivt ladede ioner fra en positiv til en negativ terminal, som frigør negativt ladede elektroner til at drive mobiltelefoner, biler, satellitter, eller hvad de ellers er forbundet med. En kritisk del af disse enheder er barrieren mellem disse terminaler, som skal adskilles for at elektriciteten kan flyde.

Forbedringer af den barriere, kendt som en elektrolyt, er nødvendige for at gøre energilagringsenheder tyndere, mere effektivt, sikrere, og hurtigere at genoplade. Almindeligt anvendte flydende elektrolytter er omfangsrige og tilbøjelige til at blive kortsluttede, og kan udgøre en brand- eller eksplosionsrisiko, hvis de er punkteret.

Forskning ledet af University of Pennsylvania ingeniører antyder en anden vej frem:en ny og alsidig form for solid polymer elektrolyt (SPE), der har dobbelt så høj protonledningsevne som det nuværende state-of-the-art materiale. Sådanne SPE'er findes i øjeblikket i protonudvekslingsmembranbrændselsceller, men forskernes nye design kunne også tilpasses til at fungere til lithium-ion- eller natrium-ion-batterier, der findes i forbrugerelektronik.

Studiet, udgivet i Naturmaterialer , blev ledet af Karen I. Winey, TowerBrook Foundation fakultetsstipendiat, professor og formand for Institut for Materialevidenskab og Teknik, og Edward B. Trigg, derefter en ph.d.-studerende i sit laboratorium. Demi E. Moed, et bachelor-medlem af Winey-laboratoriet, var medforfatter.

De samarbejdede med Kenneth B. Wagener, George B. Butler professor i polymerkemi ved University of Florida, Gainesville, og Taylor W. Gaines, en kandidatstuderende i sin gruppe. Mark J. Stevens, af Sandia National Laboratories, også bidraget til denne undersøgelse, samt Manuel Maréchal og Patrice Rannou, fra det franske nationale center for videnskabelig forskning, den franske kommission for alternative energier og atomenergi, og Université Grenoble Alpes.

Der findes allerede en række SPE'er. Nafion, som er meget udbredt i protonudvekslingsmembranbrændselsceller, er et ark af fleksibel plast, der er gennemtrængelig for protoner og uigennemtrængelig for elektroner. Efter at have absorberet vand, protoner kan strømme gennem mikroskopiske kanaler, der spænder over filmen.

En tynd, SPE som Nafion er især lokkende for brændselsceller i rumfartsapplikationer, hvor hvert kilo tæller. Meget af hovedparten af ​​bærbare batterier kommer fra afskærmning designet til at beskytte flydende elektrolytter mod punkteringer. Systemer, der anvender flydende elektrolytter, skal adskille elektroderne længere fra hinanden end deres modstykker med fast elektrolyt, da metalophobning på elektroderne til sidst kan krydse kanalen og forårsage en kortslutning.

Nafion løser disse problemer, men der er stadig meget plads til forbedring.

"Nafion er noget af et lykketræf, " siger Winey. "Dens struktur har været genstand for debat i årtier, og vil sandsynligvis aldrig blive fuldt forstået eller kontrolleret."

Nafion er svær at studere, fordi dens struktur er tilfældig og uordnet. Denne fluorerede polymer forgrener lejlighedsvis til sidekæder, der ender med sulfonsyregrupper. Det er disse sulfonsyrer, der trækker vand ind og danner kanalerne, der tillader protontransport fra den ene side af filmen til den anden. Men fordi disse sidekæder forekommer i tilfældige positioner og er af forskellig længde, de resulterende kanaler gennem den uordnede polymer er en snoet labyrint, der transporterer ioner.

Med et øje på at skære gennem denne labyrint, Wineys gruppe samarbejdede for nylig med Stevens for at opdage en ny protontransporterende struktur, der har ordnet lag. Disse lag har mange parallelle syreforede kanaler, gennem hvilke protoner hurtigt kan strømme.

"Det er som motorveje versus Provence landeveje, " siger Winey.

Denne nye struktur er resultatet af en speciel kemisk synteserute udviklet af Wageners gruppe ved University of Florida. Denne rute placerer syregrupperne jævnt langs en polymerkæde, således at afstanden mellem de funktionelle grupper er lang nok til at krystallisere. Den mest detaljerede strukturelle analyse til dato var på en polymer med præcis 21 carbonatomer mellem carboxylsyregrupper, polymeren, der indledte Penn-Florida-samarbejdet for ti år siden.

Mens Wineys gruppe og Stevens udarbejdede strukturen og bemærkede dens potentiale for at transportere ioner, Wageners gruppe arbejdede på at inkorporere sulfonsyregrupper for at demonstrere mangfoldigheden af ​​kemiske grupper, der kunne bindes til polyethylener. Begge hold indså, at protonledningsevne ville kræve den stærkere syre.

"Nøjagtig placering af sulfonsyregrupperne langs polyethylen viste sig at være vores største syntetiske udfordring, " siger Wagener. "Succesen skete endelig i hænderne på Taylor Gaines, som udtænkte et skema, vi kalder 'heterogen til homogen afbeskyttelse' af sulfonsyregruppeesteren. Det var denne syntetiske proces, der til sidst førte til dannelsen af ​​de præcise sulfonsyrepolymerer."

Detaljerne om denne proces blev også for nylig offentliggjort i tidsskriftet Macromolecular Chemistry and Physics.

Med kæderne danner en række hårnåleformer med en sulfonsyregruppe ved hver omgang, polymeren samles i ordnede lag, danner lige kanaler i stedet for den snoede labyrint, der findes i Nafion.

Der er, bogstaveligt talt, stadig nogle knæk at løse. Gruppens næste skridt er at orientere disse lag i samme retning gennem hele filmen.

"Vi er allerede hurtigere end Nafion med en faktor to, men vi kunne være endnu hurtigere, hvis vi justerede alle disse lag lige hen over elektrolytmembranen, "Siger Winey.

Mere end at forbedre brændselsceller, hvor Nafion i øjeblikket er ansat, de krystallisationsinducerede lag beskrevet i forskernes undersøgelse kunne udvides til at arbejde med funktionelle grupper, der er kompatible med andre slags ioner.

"Bedre protonledning er bestemt værdifuldt, men jeg tror, ​​at alsidigheden i vores tilgang er det, der i sidste ende er vigtigst, "Winey siger." Der er stadig ikke tilstrækkelig god fast elektrolyt til lithium eller til hydroxid, en anden almindelig brændselscelle-ion, og alle, der forsøger at designe nye SPE'er, bruger en meget anden tilgang end vores."

Mobiltelefonbatterier lavet med denne type SPE kunne være tyndere og sikrere, med ionkanaler i supermotorvejsstil, der er muliggjort af forskernes design, genoplade meget hurtigere.

"Præcisionssyntese har været en af ​​de store udfordringer inden for polymervidenskab, og dette bemærkelsesværdige værk demonstrerer, hvordan det kan åbne døre til nye materialer af meget lovende, "siger Linda Sapochak, direktør for National Science Foundations afdeling for materialeforskning. "NSF er glade for at se, at dets støtte på begge universiteter til dette integrerende samarbejde har ført til et synergistisk gennembrud."