Но у литиевой батареи есть серьезный недостаток: она легко воспламеняется, а при перегреве может загореться. В течение многих лет ученые искали более безопасные материалы для аккумуляторов, которые по-прежнему имеют те же преимущества, что и литий.
Хотя пластмассы (или полимеры) казались очевидным выбором, исследователи так и не до конца понимали, как материал изменится при введении заряда иона.Теперь команда Маккормика объединила две традиционные теории материаловедения, которые могут объяснить, как заряд определяет структуру материала. Это открывает двери для многих приложений, включая новый класс аккумуляторов.
«Прилагаются огромные усилия, чтобы выйти за рамки лития в легковоспламеняющихся растворителях», — говорит Моника Ольвера де ла Круз, юрист Тейлор, профессор материаловедения и инженерии и старший автор статьи. «Люди искали альтернативы, которые не являются взрывоопасными, например, пластмассы. Но они не знали, как вычислить, что происходит, когда вы вставляете заряд».Команда исследовала пластмассы, известные как блок-сополимеры (BCP), которые представляют собой два типа полимеров, склеенных вместе.
Они являются ведущим материалом для использования в качестве ионных проводников, поскольку сами собираются в наноструктуры, которые обеспечивают перенос ионного заряда и поддерживают структурную целостность. У BCP изначально есть наноканалы, по которым может перемещаться ион, но сами заряды влияют на форму каналов. Чтобы использовать этот материал в батареях, исследователи должны найти способ контролировать форму наноканалов, чтобы заряд хорошо перемещался.«Если вы можете оптимизировать способность заряда проходить через систему, то вы можете оптимизировать мощность, фактически вырабатываемую батареей», — говорит Чарльз Синг, научный сотрудник лаборатории Ольверы де ла Крус и первый автор статьи. .Проблема заключается в структуре материала.
BCP — это очень длинные цепочки молекул. Когда они растянуты, они простираются на расстояния, намного превышающие типичный размер зарядов ионов. Однако заряды по-прежнему оказывают сильное влияние на наноканалы, несмотря на то, что они намного меньше. Чтобы правильно понять динамику BCP, необходимы разные теории для разных масштабов длины.
Чтобы понять, как заряд иона изменяет структуру наноканалов BCP, Синг и Джос Званиккен, доцент-исследователь в той же лаборатории, объединили две традиционные теории: теорию самосогласованного поля и теорию жидкого состояния. Теория самосогласованного поля описывает, как долго ведут себя молекулы.
«Теория жидкого состояния, с другой стороны, описывает, как заряды действуют на очень локальных, атомных уровнях», — говорит Званиккен.Хотя эти две теории изучались на протяжении десятилетий, никто ранее не сводил их вместе.
В сочетании они обеспечивают новый взгляд на системы наноканалов. Электрический заряд, известный как ион, связан с противоположно заряженной молекулой, известной как противоион, которая также присутствует в наноканале.
Вместе эти ионы и противоионы сильно притягиваются друг к другу и образуют соль. Эти соли группируются в миниатюрные кристаллы, которые воздействуют на наноканалы, изменяя их структуру.
Ольвера де ла Крус и ее группа обнаружили, что эти два эффекта уравновешивают друг друга — соли хотят образовывать мини-кристаллы, что заставляет наноканал деформироваться. Это понимание позволяет спрогнозировать и даже спроектировать «систему магистралей», по которой транспортируются ионы, увеличивая мощность батареи.Команда надеется, что их открытие поможет экспериментаторам при тестировании материалов.
Это даст исследователям больше информации о физических концепциях, лежащих в основе систем BCP.Ольвера де ла Крус говорит: «Мы предоставили инструменты для понимания этих систем, включив эффекты ионного масштаба в мезомасштабную морфологию полимера».
«Электростатический контроль морфологии блок-сополимеров» появился в номере Nature Materials от 8 июня.