De meesten van ons hebben dramatische foto's gezien van laptops en zelfs auto's die in brand zijn gevlogen als gevolg van storingen in lithium-ionbatterijen. Op veel grotere schaal, In 2013 zette een batterij de 787 Dreamliner-jets van Boeing aan de grond, terwijl het bedrijf nieuwe functies implementeerde om het risico op oververhitting en verbranding te verminderen.

De boosdoener van veel van deze spontane branden is de vorming van vertakte kristallijne massa's, dendrieten genaamd, die zich vormen wanneer lithiumbatterijen herhaalde laad-ontlaadcycli ondergaan. Uiteindelijk "overbruggen" de kristallen de kathode en anode, kortsluiting van de batterij en het vergemakkelijken van het genereren van vonken die de ontvlambare vloeibare elektrolyt tussen de elektroden kunnen ontsteken.

Om dit probleem aan te pakken, een onderzoeksteam aan de Universiteit van Delaware onder leiding van Thomas H. Epps, III, de Thomas en Kipp Gutshall universitair hoofddocent chemische technologie, ontwerpt nieuwe vaste elektrolyten met behulp van taps toelopende blokpolymeren om de vloeibare elektrolyten te vervangen. In samenwerking met onderzoekers van MIT, Epps heeft ook geholpen bij het aanpassen van een oppervlakteanalysetechniek om deze nanogestructureerde polymeren te karakteriseren.

Engineering van het materiaal

In recente jaren, blokpolymeren hebben veel aandacht gekregen als levensvatbare oplaadbare geleidende en transportmembraanmaterialen vanwege hun unieke combinatie van thermische, mechanische en elektrochemische stabiliteit.

Epps vergelijkt blokpolymeren met treinen en treinwagons op nanoschaal. Net zoals een trein uit verschillende auto's kan bestaan ​​- sommige, zoals tankers, het dragen van vloeistoffen en anderen, zoals flatbeds, met vaste lading - het blokpolymeer bevat verschillende polymeersegmenten die met elkaar zijn verbonden tot blokken met verschillende kenmerken.

De blokpolymeren die in batterijmembranen worden gebruikt, bestaan ​​typisch uit een vloeistofachtig blok gecomplexeerd met een metaalzout om ionengeleidende paden te vormen, evenals een stijf blok om dendrietvorming tegen te gaan en thermische en mechanische stabiliteit te verlenen.

Epps en zijn team hebben het concept van blokpolymeren een stap verder gebracht door de interface te verkleinen, of het overgangsgebied tussen blokken, zodat de eigenschappen van de verschillende polymeerblokken worden afgewisseld.

Verbetering van de geleidbaarheid door het controleren van thermisch gedrag

Een kritische eigenschap voor ionengeleidende polymeren is de glasovergangstemperatuur, of de temperatuur waarboven een amorf polymeer een meer vloeibaar karakter aanneemt en waaronder het "glasachtig" of vast-achtig is.

Epps en zijn team hebben aangetoond dat de samenstelling van het taps toelopende gebied tussen polymeerblokken die temperatuur in polymeerelektrolyten aanzienlijk beïnvloedt, waardoor de ionische geleidbaarheid wordt beïnvloed.

"Het verlagen van de glasovergangstemperatuur met slechts zeven graden kan de geleidbaarheid van op polymeren gebaseerde elektrolyten met ongeveer 150 procent verhogen, "zegt hij. "En als we het nog eens drie graden verlagen, we kunnen de geleidbaarheid verdrievoudigen."

Analyse van de nanostructuur

Een primaire uitdaging bij het gebruik van blokpolymeren ligt in het controleren en analyseren van de locatie en ruimtelijke verdeling van de verschillende componenten op nanoschaal en atomaire schaal in deze zelfassemblerende materialen. Alle methoden die worden gebruikt om de materialen te evalueren, moeten de structuur op nanoschaal kunnen "zien" zonder schade te veroorzaken die de analyse verwart of anderszins verwart.

In samenwerking met onderzoekers van MIT, waar hij het studiejaar 2012-13 op sabbatical doorbracht als Martin Luther King, Jr. Gasthoogleraar Scheikunde, Epps hielp bij het toepassen van een nieuwe techniek, C ₆₀ ⁺ diepteprofilering x-ray foto-elektron spectroscopie (XPS), tot nanogestructureerde polymeren die de analyse van zowel chemische als atomaire informatie in een materiaal als functie van diepte vergemakkelijken.

XPS is een oppervlaktegevoelige kwantitatieve spectroscopische techniek die de elementaire samenstelling in hoge resolutie meet. Epps en zijn MIT-collega's gebruikten XPS waarin voetbalvormige moleculen, 'buckyballs' genaamd, werden gebruikt om door de polymeerfilm te etsen. waardoor de chemische samenstelling kan worden onderzocht als een functie van de diepte.

"Nu we een manier hebben om vollediger te karakteriseren wat er op nanoschaal gebeurt in taps toelopende blokpolymeren, we kunnen ze ontwerpen met de precieze eigenschappen die nodig zijn voor specifieke toepassingen, ' zegt Epp.

"Hoewel we de techniek met succes hebben toegepast om materialen voor batterijtoepassingen te evalueren, wij geloven dat de unieke mogelijkheden van C ₆₀ ⁺ XPS met diepteprofilering maakt het een krachtig hulpmiddel voor de analyse van dunne films van nanogestructureerde polymeren in toepassingen variërend van energieopslag en -opwekking tot oppervlaktecoatings en sjablonen op nanoschaal."

Over het onderzoek

Het materiaalsysteem dat door Epps en zijn team werd bestudeerd, bestond uit mechanisch stijf polystyreen (PS) en ionengeleidend poly(oligo-oxyethyleenmethacrylaat) (POEM). Het werk is gedocumenteerd in een document, "Gecontroleerde ionische geleidbaarheid via taps toelopende blokpolymeerelektrolyten, " gepubliceerd in RSC Advances in 2015. Het artikel was co-auteur van Wei-Fan Kuan, Roddel Remy, en Michael Mackay in UD's Department of Chemical and Biomolecular Engineering en Department of Materials Science and Engineering.

Het karakteriseringswerk wordt gedetailleerd beschreven in een document, "Bepaling van lithium-ion-distributies in nanogestructureerde blokpolymeer elektrolyt dunne films door röntgenfoto-elektronspectroscopie diepteprofilering, " gepubliceerd in ACS Nano in 2015. Het papier was co-auteur van Jonathan Gilbert, Michael Rubner en Robert Cohen van het MIT en Ming Luo van de afdeling Chemische en Biomoleculaire Engineering van UD.