Brandstofcellen en batterijen leveren elektriciteit door positief geladen ionen te genereren en over te halen van een positieve naar een negatieve pool, waardoor negatief geladen elektronen worden vrijgemaakt om mobiele telefoons van stroom te voorzien. auto's, satellieten, of waar ze ook maar mee verbonden zijn. Een cruciaal onderdeel van deze apparaten is de barrière tussen deze terminals, die moeten worden gescheiden om elektriciteit te laten stromen.

Verbeteringen aan die barrière, bekend als een elektrolyt, zijn nodig om energieopslagapparaten dunner te maken, efficiënter, veiliger, en sneller op te laden. Veelgebruikte vloeibare elektrolyten zijn volumineus en vatbaar voor kortsluiting, en kunnen brand- of explosiegevaar opleveren als ze worden doorboord.

Onderzoek onder leiding van ingenieurs van de Universiteit van Pennsylvania suggereert een andere weg vooruit:een nieuw en veelzijdig soort vast polymeerelektrolyt (SPE) dat tweemaal de protongeleidbaarheid heeft van het huidige ultramoderne materiaal. Dergelijke SPE's worden momenteel aangetroffen in brandstofcellen met een protonenuitwisselingsmembraan, maar het nieuwe ontwerp van de onderzoekers kan ook worden aangepast om te werken voor de lithium-ion- of natrium-ionbatterijen die in consumentenelektronica worden aangetroffen.

De studie, gepubliceerd in Natuurmaterialen , werd geleid door Karen I. Winey, Faculteitsmedewerker van de TowerBrook Foundation, hoogleraar en voorzitter van de afdeling Materials Science and Engineering, en Edward B. Trigg, dan een promovendus in haar lab. Demi E. Moed, een niet-gegradueerd lid van het Winey-lab, was co-auteur.

Ze werkten samen met Kenneth B. Wagener, George B. Butler hoogleraar polymeerchemie aan de Universiteit van Florida, Gainesville, en Taylor W. Gaines, een afgestudeerde student in zijn groep. Mark J. Stevens, van Sandia Nationale Laboratoria, heeft ook meegewerkt aan dit onderzoek, evenals Manuel Maréchal en Patrice Rannou, van het Franse Nationale Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek, de Franse commissie voor alternatieve energie en atoomenergie, en de Université Grenoble Alpes.

Er bestaat al een verscheidenheid aan SPE's. Nafion, die veel wordt gebruikt in brandstofcellen met protonenuitwisselingsmembraan, is een laag flexibel plastic dat doorlaatbaar is voor protonen en ondoordringbaar voor elektronen. Na het absorberen van water, protonen kunnen door microscopisch kleine kanalen stromen die de film overspannen.

een dunne, SPE zoals Nafion is vooral aantrekkelijk voor brandstofcellen in ruimtevaarttoepassingen, waar elke kilo telt. Een groot deel van het grootste deel van draagbare batterijen is afkomstig van een afscherming die is ontworpen om vloeibare elektrolyten te beschermen tegen lekke banden. Systemen die vloeibare elektrolyten gebruiken, moeten de elektroden verder van elkaar scheiden dan hun vaste elektrolyt-tegenhangers, omdat metaalophoping op de elektroden uiteindelijk het kanaal kan passeren en kortsluiting kan veroorzaken.

Nafion pakt die problemen aan, maar er is nog veel ruimte voor verbetering.

"Nafion is iets van een toevalstreffer, ", zegt Winey. "De structuur ervan is al tientallen jaren onderwerp van discussie, en zal waarschijnlijk nooit volledig worden begrepen of gecontroleerd."

Nafion is moeilijk te bestuderen omdat de structuur willekeurig en ongeordend is. Dit gefluoreerde polymeer vertakt af en toe in zijketens die eindigen op sulfonzuurgroepen. Het zijn deze sulfonzuren die water aanzuigen en de kanalen vormen die protonentransport van de ene kant van de film naar de andere mogelijk maken. Maar omdat deze zijketens op willekeurige plaatsen voorkomen en van verschillende lengte zijn, de resulterende kanalen door het ongeordende polymeer zijn een kronkelig doolhof dat ionen transporteert.

Met het oog op het doorsnijden van dit doolhof, Winey's groep werkte onlangs samen met Stevens om een ​​nieuwe protonentransporterende structuur te ontdekken die geordende lagen heeft. Deze lagen hebben veel parallelle, met zuur beklede kanalen waardoor protonen snel kunnen stromen.

"Het is als snelwegen versus de landweggetjes van de Provence, ' zegt Winey.

Deze nieuwe structuur is het resultaat van een speciale chemische syntheseroute die is ontwikkeld door de Wagener-groep aan de Universiteit van Florida. Deze route plaatst de zuurgroepen gelijkmatig langs een polymeerketen, zodat de afstand tussen de functionele groepen lang genoeg is om te kristalliseren. De meest gedetailleerde structurele analyse tot nu toe was op een polymeer met precies 21 koolstofatomen tussen carbonzuurgroepen, het polymeer dat tien jaar geleden de samenwerking tussen Penn en Florida op gang bracht.

Terwijl Winey's groep en Stevens de structuur uitwerkten en noteerden dat het potentieel is voor het transporteren van ionen, De groep van Wagener werkte aan het opnemen van sulfonzuurgroepen om de diversiteit aan chemische groepen aan te tonen die aan polyethyleen kunnen worden gehecht. Beide teams realiseerden zich dat protongeleiding het sterkere zuur zou vereisen.

"Het precies plaatsen van de sulfonzuurgroepen langs polyethyleen bleek onze grootste synthetische uitdaging te zijn, "zegt Wagener. "Het succes kwam uiteindelijk in de handen van Taylor Gaines, die een schema bedacht dat we 'heterogene tot homogene ontscherming' van de sulfonzuurgroepester noemen. Het was dit synthetische proces dat uiteindelijk leidde tot de vorming van de precisie-sulfonzuurpolymeren."

De details van dit proces zijn onlangs ook gepubliceerd in het tijdschrift Macromolecular Chemistry and Physics.

Met de kettingen die een reeks haarspeldvormen vormen met bij elke bocht een sulfonzuurgroep, het polymeer assembleert in geordende lagen, rechte kanalen vormen in plaats van het kronkelige doolhof in Nafion.

Er zijn, letterlijk, nog wat knikken om uit te werken. De volgende stap van de groep is om deze lagen in de hele film in dezelfde richting te oriënteren.

"We zijn al een factor twee sneller dan Nafion, maar we zouden nog sneller kunnen zijn als we al die lagen recht over het elektrolytmembraan zouden uitlijnen, ' zegt Winey.

Meer dan het verbeteren van brandstofcellen waar Nafion momenteel wordt gebruikt, de door kristallisatie geïnduceerde lagen die in de studie van de onderzoekers zijn beschreven, zouden kunnen worden uitgebreid om te werken met functionele groepen die compatibel zijn met andere soorten ionen.

"Betere protonengeleiding is zeker waardevol, maar ik denk dat de veelzijdigheid van onze aanpak uiteindelijk het belangrijkste is, "zegt Winey. "Er is nog steeds geen voldoende goede vaste elektrolyt voor lithium of voor hydroxide, een ander veelvoorkomend brandstofcel-ion, en iedereen die nieuwe SPE's probeert te ontwerpen, gebruikt een heel andere benadering dan de onze."

Batterijen voor mobiele telefoons gemaakt met dit type SPE kunnen dunner en veiliger zijn, met de supersnelweg-achtige ionkanalen mogelijk gemaakt door het ontwerp van de onderzoekers, veel sneller opladen.

"Precisiesynthese was een van de grote uitdagingen in de polymeerwetenschap, en dit opmerkelijke werk laat zien hoe het deuren kan openen naar nieuwe, veelbelovende materialen, " zegt Linda Sapochak, directeur van de afdeling materiaalonderzoek van de National Science Foundation. "NSF is verheugd om te zien dat haar steun aan beide universiteiten voor deze integratieve samenwerking heeft geleid tot een synergetische doorbraak."