De energimæssige implikationer af organiske radikale polymerer

Texas A&M University professor Dr. Jodie L. Lutkenhaus er et skridt tættere på at realisere sit mål om at skabe et batteri udelukkende lavet af polymerer, som har potentialet til at oplade og aflade meget hurtigere end traditionelle batterier. Lutkenhaus, en lektor i Artie McFerrin Department of Chemical Engineering, har beskrevet sine seneste resultater om disse polymerer i et papir i Naturmaterialer .

En stor forhindring for at skabe en metalfri, 100 procent polymerbatteri er ved at finde en polymer, der er elektrokemisk aktiv - hvilket betyder, at den skal være i stand til at lagre og udveksle elektroner. Lutkenhaus, sammen med et team af forskere, herunder doktorgradskandidat Shaoyang Wang, tror, ​​at de organiske radikale polymerer vil gøre tricket. På grund af deres kemiske struktur, organiske radikalpolymerer er meget stabile og reaktive. De har en enkelt elektron på den radikale gruppe, og denne uparrede elektron tillader hurtig ladningsoverførsel i disse polymerer under redoxreaktioner.

Ifølge Lutkenhaus, den største appel ved denne klasse af polymer ligger i reaktionshastigheden. "Disse polymerer er meget lovende for batterier, fordi de kan oplade og aflade meget hurtigere end noget almindeligt batteri i en telefon eller lignende enhed. Denne hurtige opladning kan dramatisk ændre den måde, elektriske køretøjer bruges i dag."

De redoxaktive egenskaber af organiske radikalpolymerer har været kendt i nogen tid. Imidlertid, forud for denne forskning var den nøjagtige mekanisme, hvormed elektroner og ioner transporteres gennem polymeren, ikke blevet beskrevet. Delvis, omfanget og hastigheden, hvormed disse reaktioner finder sted, gør det vanskeligt at indfange pålidelige data. Imidlertid, Lutkenhaus og hendes team var i stand til at fange utroligt detaljerede målinger ved hjælp af en specialiseret enhed, en elektrokemisk kvartskrystalmikrovægt med dissipationsovervågning (EQCM-D).

Brugen af ​​en EQCM-D er faktisk ret simpel, men det opererer i enormt lille skala. Lutkenhaus forklarede den eksperimentelle opsætning:"Når vi oplader og udleder polymeren, vejer vi den faktisk, så vi ved præcis, hvor meget det vejer selv ned til nanogram nøjagtighed. Enheden er så følsom, at vi kan måle ioner, der går ind og ud af den organiske radikale polymer."

Resultaterne af EQCM-D-analysen førte til noget uventede resultater. Før denne forskning var konsensus, at kun anioner blev transporteret i denne proces. Imidlertid, resultaterne viser, at lithium-ioner også transporteres. Yderligere, ionernes adfærd og transport synes at være mere afhængig af elektrolytten end selve polymeren.

Med denne dybere forståelse af de underliggende processer, Lutkenhaus planlægger at se nærmere på elektrolytpolymerinteraktionerne.