Stel je een wereld voor waar mobiele telefoons en laptops kunnen worden opgeladen in een kwestie van minuten in plaats van uren, opgerold en in je zak opgeborgen, of vallen zonder schade op te lopen. Het is mogelijk, volgens professor Thomas H. Epps van de Universiteit van Delaware, III, maar de materialen zijn er nog niet.

Dus, wat houdt de technologie tegen?

Voor starters, het zou meer geleidend, flexibele en lichtere batterijen, zei Epps, die de Thomas en Kipp Gutshall-hoogleraar chemische en biomoleculaire engineering is en een professor in de afdeling materiaalkunde en engineering aan de UD.

De batterijen zouden slagvaster en veiliger moeten zijn, te. In mei, een e-sigaret ontplofte in Florida en doodde een man. Er zijn naar verluidt aanwijzingen dat dit ongelukkige ongeval te wijten kan zijn aan problemen met de batterij, volgens de Amerikaanse Food and Drug Administration. Soortgelijke problemen hebben apparaten zoals de Samsung Galaxy Note 7 en hulpaggregaten van de Boeing Dreamliner geplaagd.

"Al deze uitdagingen kwamen van batterijen die veiligheids- en stabiliteitsproblemen hebben als het doel is om de prestaties te verbeteren, " zei Epp, een expert in het ontwerpen en fabriceren van geleidende membranen die bruikbaar zijn in energieopwekkings- en opslagapparaten.

Een manier om deze uitdaging in de lithium-ionbatterijen voor de bovengenoemde apparaten te overwinnen, is het verbeteren van de batterijmembranen - en de bijbehorende elektrolyten - die zijn ontworpen om de lithiumionen te pendelen, die de elektrische lading compenseert die gepaard gaat met het opladen en ontladen van de batterij.

bij UD, Het team van Epps heeft een idee gepatenteerd om de batterijprestaties te verbeteren door taps toe te voegen aan de elektrolyten van het polymeermembraan waardoor de lithiumionen in de batterij sneller heen en weer kunnen reizen.

Het is een groot idee dat begint met kleine onderdelen.

kleine wetenschap, grote impact

Het begint allemaal met polymeren, dat zijn materialen gemaakt van kleine moleculen die aan elkaar zijn geregen als kralen aan een ketting om een ​​lange ketting te creëren. Door twee of meer polymeerketens met verschillende eigenschappen chemisch te verbinden, ingenieurs kunnen blokpolymeren maken die profiteren van de opvallende kenmerken van beide materialen. Bijvoorbeeld, polystyreen in een piepschuimbeker is relatief hard en broos, terwijl polyisopreen (afgetapt uit een rubberboom) stroperig en melasse-achtig is. Als die twee polymeren chemisch met elkaar verbonden zijn, ingenieurs kunnen materialen maken voor alledaagse voorwerpen zoals autobanden en elastiekjes - materialen die hun vorm behouden maar slagvast en rekbaar zijn.

Epps werd geïntroduceerd om polymeren te blokkeren als student aan het Massachusetts Institute of Technology terwijl hij werkte in het laboratorium van professor Paula Hammond, en opnieuw toen hij bij de Goodyear Tire &Rubber Company werkte onder Adel Halasa als onderdeel van een GEM Fellowship. Goodyear onderzocht het gebruik van taps toelopende meercomponentenpolymeren om banden te maken met meer elasticiteit, banden die een betere grip op de weg hebben zonder in te boeten aan prestaties of duurzaamheid.

Jaren later, aan het werk bij UD, De groep van Epps ging nog een stap verder en realiseerde zich dat ze de nanoschaal konden afstemmen (1/1, 000ste van de breedte van een mensenhaar) structuur van deze polymeren om materialen te doordrenken met bepaalde mechanische, thermische en geleidbaarheidseigenschappen.

Een van de voordelen van blokpolymeren is dat ze wetenschappers in staat stellen om twee of meer componenten te combineren die vaak chemisch onverenigbaar zijn, wat betekent dat ze niet mengen (denk aan olie en water). Ditzelfde voordeel, echter, kan uitdagingen opleveren met de manier waarop de materialen kunnen worden verwerkt. De Epps-groep heeft vastgesteld dat het taps toelopen van het gebied waar de twee verschillende polymeerketens met elkaar verbinden, de menging tussen zeer onverenigbare materialen kan bevorderen op een manier die verwerking en fabricage sneller en goedkoper maakt doordat er minder energie of minder oplosmiddel nodig is in het productieproces.

Door de taper te manipuleren, konden de onderzoekers ook de nanoschaalstructuren controleren die door de blokpolymeren kunnen worden gevormd. Door de taps toe te voegen, Het team van Epps kan netwerken op nanoschaal creëren die de batterijmaterialen beter geleiden, door snelwegen op nanoschaal te introduceren en verkeersknelpunten te elimineren, waardoor ionen met hogere snelheden kunnen bewegen en het polymeer efficiënter wordt in batterijtoepassingen.

"Technisch gezien, we willen ionen sneller geleiden … deze benadering in polymeren zou ons in staat stellen meer vermogen uit de batterijen te halen. Het zou de batterijen in staat stellen sneller op te laden, op een manier die ook veiliger is. We zijn er nog niet, maar dat is het doel " zei Epp, die het concept patenteerde via UD's Office of Economic Innovation and Partnerships.

Hij noemt dit werk een 'designerbenadering' van de polymeerwetenschap.

Priyanka Ketkar, een doctoraatsstudent in chemische en biomoleculaire engineering, wil met onderzoek een verschil maken in de wereld. Ketkar beschreef de Epps-onderzoeksgroep als een goede match, waar ze haar mentale spieren traint op de daaruit voortvloeiende problemen met betrekking tot energieopslag.

Bij laboratoriumexperimenten, Ketkar en anderen in de Epps-groep hebben aangetoond dat het introduceren van een taps toelopend gebied tussen polymeerelektrolytketens de algehele ionische geleidbaarheid over een reeks temperaturen in feite verhoogde. Op kamertemperatuur, bijvoorbeeld, de taps toelopende materialen zijn twee keer zo geleidend als hun niet-taps toelopende tegenhangers. Maar dat is niet alles. De tapsheid verbetert de verwerkingscapaciteit van het materiaal, te.

"Eerdere methoden voor het verhogen van de geleidbaarheid hebben het polymeer ofwel moeilijker te verwerken gemaakt of hebben grotere hoeveelheden chemisch oplosmiddel gebruikt, waardoor het materiaal ontvlambaarder en minder milieuvriendelijk is, "Zei Ketkar. "Daarom ben ik erg enthousiast over deze nieuwe aanpak."

De designerpolymeren zijn bruikbaar voor lithium-ionbatterijen, maar ook toepasbaar op andere oplaadbare systemen, zoals natrium-ion- en kalium-ionbatterijen, zei Epps. Andere toepassingen zijn onder meer het gebruik van taps toelopende polymeren om materialen te maken die bij lagere temperaturen of met minder oplosmiddel kunnen worden geproduceerd voor toepassingen zoals banden, elastiekjes en lijmen.

Toekomstige toepassingen zijn onder meer flexibele batterijen

Terwijl de technologie vooruit schiet, Epps verwacht dat de komende vijf tot tien jaar een overvloed aan apparaten zal inluiden die kunnen buigen en rollen, zoals mobiele telefoons en computers.

"Dit werkt alleen als alle componenten flexibel zijn, inclusief de batterij en power units, niet alleen het geval, scherm of knoppen, "Zei Epps. "Dit aspect is waar blokpolymeren echt ideaal worden, omdat, zoals een rubberen band die zijn vorm onthoudt ondanks het uitrekken, buigen en andere manipulaties - met polymeren, u kunt de interne componenten slagvaster en schokabsorberend maken, wat de levensduur van de telefoon zal verbeteren."

Er kunnen andere toepassingen zijn voor designerpolymeren, te.

"Wat als er een sensor in de voetbal zou zitten die is ontworpen om officials te waarschuwen wanneer een speler een bepaalde afstand overschrijdt, zeg voor een eerste keer, "Zei Epps. "Je zou niet hoeven te vertrouwen op een officiële weergave van het spel of een onmiddellijke herhaling van het spel."

Maar, voetballen worden rondgegooid en de spelers die ze vasthouden worden vaak geraakt.

"Je zou iets nodig hebben dat niet breekt of lekt, dus met behulp van een polymeer dat de materiaaleigenschappen heeft van bijvoorbeeld, Een rubberen band, die ook ionen kan geleiden zoals een batterij zou een perfecte oplossing zijn, "Zei Epps. "Deze laan is een richting waarin je je kunt voorstellen dat deze materialen tot bloei komen."

Epps is onlangs benoemd tot fellow van de Royal Society of Chemistry, gevestigd in het Verenigd Koninkrijk. Om deze eer te ontvangen, wetenschappers moeten een impact hebben gehad in de chemische wetenschappen.