Sinds het begin van de jaren zeventig, lithium is het meest populaire element voor batterijen:het is het lichtste van alle metalen en heeft het grootste elektrochemische potentieel.

Maar een op lithium gebaseerde batterij heeft een groot nadeel:hij is licht ontvlambaar, en als het oververhit raakt, het kan in brand vliegen. Voor jaren, wetenschappers hebben gezocht naar veiliger batterijmaterialen die nog steeds dezelfde voordelen hebben als lithium. Terwijl kunststoffen (of polymeren) een voor de hand liggende keuze leken, onderzoekers hebben nooit volledig begrepen hoe het materiaal zou veranderen als een ionenlading werd geïntroduceerd.

Nu is een team van de Northwestern University getrouwd met twee traditionele theorieën in de materiaalkunde die kunnen verklaren hoe de lading de structuur van het materiaal dicteert. Dit opent de deur voor vele toepassingen, inclusief een nieuwe klasse batterijen.

"Er is een enorme inspanning gedaan om verder te gaan dan lithium in een ontvlambaar oplosmiddel, " zegt Monica Olvera de la Cruz, Advocaat Taylor Professor of Materials Science and Engineering bij Northwestern en senior auteur van het papier. "Mensen hebben gekeken naar alternatieven die niet explosief zijn, zoals kunststoffen. Maar ze wisten niet hoe ze moesten berekenen wat er gebeurt als je een aanklacht indient."

hun papier, getiteld "Elektrostatische controle van blokcopolymeermorfologie, " werd gepubliceerd in het nummer van 8 juni van Natuurmaterialen .

Het team keek naar kunststoffen die bekend staan ​​als blokcopolymeren (BCP's), dat zijn twee soorten polymeren die aan elkaar zijn geplakt. Ze zijn een toonaangevend materiaal voor gebruik als ionengeleiders omdat ze zichzelf assembleren tot nanostructuren die zowel het transport van ionenladingen mogelijk maken als de structurele integriteit behouden. BCP's hebben van nature nanokanalen waardoor het ion kan reizen, maar de ladingen zelf manipuleren de vorm van de kanalen. Om het materiaal in batterijen te gebruiken, onderzoekers moeten een manier vinden om de vorm van de nanokanalen te controleren, zodat de lading goed beweegt.

"Als je het vermogen van de lading om door het systeem te bewegen kunt optimaliseren, dan kun je het vermogen optimaliseren dat daadwerkelijk uit de batterij komt, " zegt Charles Sing, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Olvera de la Cruz en eerste auteur van het artikel.

Het probleem ligt in de structuur van het materiaal. BCP's zijn zeer lange ketens van moleculen. Als ze uitgerekt zijn, ze strekken zich uit over afstanden die veel groter zijn dan de typische grootte van de ionenladingen. Echter, de ladingen hebben nog steeds een sterk effect op de nanokanalen, ondanks dat ze veel kleiner zijn. Om de dynamiek van grensdoorlaatposten goed te begrijpen, voor de verschillende lengteschalen zijn verschillende theorieën nodig.

Om te begrijpen hoe de ionenlading de structuur van de nanokanalen van de BCP's verandert, Sing en Jos Zwanikken, een onderzoeksassistent-professor in hetzelfde laboratorium, combineerde twee traditionele theorieën:de Self-Consistent Field Theory en Liquid State Theory. Self-Consistent Field Theory beschrijft hoe lang moleculen zich gedragen.

"Liquid State Theorie, anderzijds, beschrijft hoe heffingen werken op zeer lokale, atomaire niveaus, ' zegt Zwanikken.

Hoewel deze twee theorieën zijn bestudeerd, diepgaand, al decenia, niemand heeft ze eerder in elkaar gezet. Wanneer gecombineerd, ze bieden een nieuwe manier om naar de nanokanaalsystemen te kijken. De elektrische lading, bekend als een ion, is geassocieerd met een tegengesteld geladen molecuul, bekend als een tegenion, die ook in het nanokanaal aanwezig is. Samen, deze ionen en tegenionen worden sterk door elkaar aangetrokken en vormen een zout. Deze zouten clusteren in miniatuurkristallen, die een kracht uitoefenen op de nanokanalen, hun structuur veranderen.

Olvera de la Cruz en haar groep ontdekten dat deze twee effecten elkaar in evenwicht houden - de zouten willen minikristallen vormen, waardoor het nanokanaal wordt vervormd. Dit begrip maakt het mogelijk om een ​​"snelwegsysteem" te voorspellen en zelfs te ontwerpen waardoor de ionen worden getransporteerd, het maximaliseren van het vermogen van de batterij.

Het team hoopt dat hun bevinding een leidraad zal zijn voor experimentatoren bij het testen van materialen. Het zal onderzoekers meer informatie geven over de fysieke concepten die ten grondslag liggen aan BCP-systemen.

Olvera de la Cruz zegt, "We hebben de tools geleverd om deze systemen te begrijpen door ionenlengteschaaleffecten op te nemen in de mesoschaalmorfologie van het polymeer."