Forskere udvikler sikrere elektrolytter og bruger ny teknik til at vurdere dem

De fleste af os har set dramatiske fotografier af bærbare computere og endda biler, der er gået i brand på grund af fejl i lithium-ion-batterier. I meget større skala, batteribrande jordede Boeings 787 Dreamliner-jetfly i flere måneder i 2013, mens virksomheden implementerede nye funktioner for at reducere risikoen for overophedning og forbrænding.

Synderen i mange af disse spontane brande er dannelsen af ​​forgrenede krystallinske masser kaldet dendritter, der dannes, når lithiumbatterier gennemgår gentagne opladnings-afladningscyklusser. Til sidst "bro" krystallerne katoden og anoden, kortslutning af batteriet og letter dannelsen af ​​gnister, der kan antænde den brændbare flydende elektrolyt, der er klemt mellem elektroderne.

For at løse dette problem, et forskerhold ved University of Delaware ledet af Thomas H. Epps, III, Thomas og Kipp Gutshall lektor i kemiteknik, designer nye faste elektrolytter ved hjælp af tilspidsede blokpolymerer til at erstatte de flydende elektrolytter. I samarbejde med forskere ved MIT, Epps har også hjulpet med at tilpasse en overfladeanalyseteknik til at karakterisere disse nanostrukturerede polymerer.

Konstruere materialet

I de seneste år, blokpolymerer har fået stor opmærksomhed som levedygtige genopladelige ledende og transportmembranmaterialer på grund af deres unikke kombination af termiske, mekanisk og elektrokemisk stabilitet.

Epps sammenligner blokpolymerer med tog og togbiler på nanoskala. Ligesom et tog kan bestå af forskellige biler – nogle, som tankskibe, transportere væsker og andet, som flatbeds, bærende fast last - blokpolymeren indeholder forskellige polymersegmenter forbundet til blokke med forskellige funktioner.

De blokpolymerer, der anvendes i batterimembraner, består typisk af en væskelignende blok kompleksbundet med et metalsalt for at danne ionledende veje samt en stiv blok til at modstå dendritdannelse og give termisk og mekanisk stabilitet.

Epps og hans team har taget konceptet med blokpolymerer et skridt videre ved at nedtrappe grænsefladen, eller overgangsområdet mellem blokke, således at egenskaberne af de forskellige polymerblokke er indblandet.

Forbedring af ledningsevne ved at kontrollere termisk adfærd

En kritisk egenskab for ionledende polymerer er glasovergangstemperaturen, eller den temperatur, over hvilken en amorf polymer antager en mere væskelignende karakter, og under hvilken den er "glasagtig" eller fast-lignende.

Epps og hans team har påvist, at sammensætningen af ​​det tilspidsede område mellem polymerblokke påvirker denne temperatur i polymerelektrolytter betydeligt, dermed påvirke den ioniske ledningsevne.

"At sænke glasovergangstemperaturen med kun syv grader kan øge ledningsevnen af ​​polymerbaserede elektrolytter med cirka 150 procent, " siger han. "Og hvis vi sænker den med yderligere tre grader, vi kan tredoble ledningsevnen."

Analyse af nanostrukturen

En primær udfordring ved at bruge blokpolymerer ligger i at kontrollere og analysere placeringen og den rumlige fordeling af de forskellige komponenter i nanoskala og atomskala i disse selvsamlende materialer. Enhver metode, der bruges til at evaluere materialerne, skal være i stand til at "se" strukturen på nanoskalaen uden at forårsage skader, der forvirrer eller på anden måde forvirrer analysen.

I samarbejde med forskere ved MIT, hvor han tilbragte det akademiske år 2012-13 på sabbatår som Martin Luther King, Jr. Gæsteprofessor i kemi, Epps hjalp med at anvende en ny teknik, C ₆₀ ⁺ dybdeprofilerende røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS), til nanostrukturerede polymerer, der letter analysen af ​​både kemisk og atomær information i et materiale som funktion af dybden.

XPS er en overfladefølsom kvantitativ spektroskopisk teknik, der måler grundstofsammensætning i høj opløsning. Epps og hans MIT-kolleger brugte XPS, hvor fodbold-bold-formede molekyler kaldet "buckyballs" blev brugt til at ætse gennem polymerfilmen, gør det muligt at undersøge den kemiske sammensætning som funktion af dybden.

"Nu hvor vi har en måde at mere fuldstændigt karakterisere, hvad der sker på nanoskala i tilspidsede blokpolymerer, vi kan designe dem med de præcise egenskaber, der er nødvendige til specifikke applikationer, " siger Epps.

"Selvom vi med succes har anvendt teknikken til at evaluere materialer til batteriapplikationer, vi mener, at de unikke muligheder i C ₆₀ ⁺ dybdeprofilering XPS gør det til et kraftfuldt værktøj til analyse af nanostrukturerede polymer tynde film i applikationer lige fra energilagring og generering til overfladebelægninger og nanoskala skabeloner."

Om forskningen

Materialesystemet studeret af Epps og hans team omfattede mekanisk stiv polystyren (PS) og ionledende poly(oligo-oxyethylenmethacrylat) (POEM). Arbejdet er dokumenteret i et papir, "Kontrolleret ionisk ledningsevne via koniske blokpolymerelektrolytter, " udgivet i RSC Advances i 2015. Papiret var medforfatter af Wei-Fan Kuan, Roddel Remy, og Michael Mackay i UD's Institut for Kemi- og Biomolekylær Teknik og Institut for Materialevidenskab og Teknik.

Karakteriseringsarbejdet er detaljeret i et papir, "Bestemmelse af lithium-ion distributioner i nanostrukturerede blokpolymerelektrolyt tynde film ved røntgenfotoelektronspektroskopi dybdeprofilering, " offentliggjort i ACS Nano i 2015. Avisen var medforfatter af Jonathan Gilbert, Michael Rubner og Robert Cohen ved MIT og Ming Luo i UD's afdeling for kemi og biomolekylær teknik.