Design af ion-motorvejssystemer til batterier

Siden begyndelsen af ​​1970'erne, lithium har været det mest populære element til batterier:det er det letteste af alle metaller og har det største elektrokemiske potentiale.

Men et lithiumbaseret batteri har en stor ulempe:det er meget brandfarligt, og når den bliver overophedet, det kan bryde i brand. Årevis, forskere har søgt efter sikrere batterimaterialer, der stadig har de samme fordele som lithium. Mens plastik (eller polymerer) virkede som et oplagt valg, forskere forstod aldrig helt, hvordan materialet ville ændre sig, når en ionladning blev indført.

Nu har et team fra Northwestern University giftet sig med to traditionelle teorier inden for materialevidenskab, der kan forklare, hvordan anklagen dikterer materialets struktur. Dette åbner døren for mange applikationer, inklusive en ny klasse batterier.

"Der er en enorm indsats for at gå ud over lithium i et brændbart opløsningsmiddel, " siger Monica Olvera de la Cruz, Advokat Taylor professor i materialevidenskab og teknik ved Northwestern og seniorforfatter af papiret. "Folk har kigget på alternativer, der ikke er eksplosive, som plastik. Men de vidste ikke, hvordan de skulle beregne, hvad der sker, når du sætter en ladning."

Deres papir, med titlen "Elektrostatisk kontrol af blokcopolymermorfologi, " blev offentliggjort i 8. juni-udgaven af Naturmaterialer .

Holdet så på plast kendt som blokcopolymerer (BCP'er), der er to typer polymerer, der hænger sammen. De er et førende materiale til brug som ionledere, fordi de selv samles til nanostrukturer, der både muliggør ionladningstransport og opretholder strukturel integritet. BCP'er har medfødt nanokanaler, gennem hvilke ionen kan rejse, men ladningerne selv manipulerer kanalernes form. For at bruge materialet i batterier, forskere skal finde en måde at kontrollere formen på nanokanalerne, så ladningen bevæger sig godt.

"Hvis du kan optimere ladningens evne til at bevæge sig gennem systemet, så kan du optimere den strøm, der rent faktisk kommer ud af batteriet, " siger Charles Sing, en postdoc-stipendiat i Olvera de la Cruz's laboratorium og første forfatter af papiret.

Problemet ligger i materialets struktur. BCP'er er meget lange kæder af molekyler. Når de strækkes ud, de strækker sig over afstande, der er meget større end den typiske størrelse af ionladningerne. Imidlertid, ladningerne har stadig en stærk effekt på nano-kanalerne på trods af at de er meget mindre. For korrekt at forstå dynamikken i BCP'er, forskellige teorier er nødvendige for de forskellige længdeskalaer.

For at forstå, hvordan ionladningen ændrer strukturen af ​​BCP'ernes nanokanaler, Syng og Jos Zwanikken, en forskningsadjunkt i samme laboratorium, kombineret to traditionelle teorier:Self-Consistent Field Theory og Liquid State Theory. Self-Consistent Field Theory beskriver, hvor længe molekyler opfører sig.

"Liquid State Theory, på den anden side, beskriver, hvordan afgifter fungerer på meget lokale, atomare niveauer, " siger Zwanikken.

Mens disse to teorier er blevet undersøgt, dybdegående, i årtier, ingen har tidligere sat dem sammen. Når det kombineres, de giver en ny måde at se på nanokanalsystemerne. Den elektriske ladning, kendt som en ion, er forbundet med et modsat ladet molekyle, kendt som en modion, som også er til stede i nano-kanalen. Sammen, disse ioner og modioner er stærkt tiltrukket af hinanden og danner et salt. Disse salte samler sig i miniaturekrystaller, som udøver en kraft på nano-kanalerne, ændre deres struktur.

Olvera de la Cruz og hendes gruppe fandt ud af, at disse to effekter balancerer hinanden - saltene ønsker at danne minikrystaller, hvilket tvinger nanokanalen til at deformeres. Denne forståelse gør det muligt at forudsige og endda designe et "motorvejssystem", hvorigennem ionerne transporteres, maksimering af batteriets kraft.

Holdet håber, at deres fund vil guide eksperimentelister, når de tester materialer. Det vil give forskerne mere information om de fysiske begreber, der ligger til grund for BCP-systemer.

Olvera de la Cruz siger, "Vi har leveret værktøjerne til at forstå disse systemer ved at inkludere ion-længdeskalaeffekter i polymerens mesoskalamorfologi."