Но у основанной на литии батареи есть главный недостаток: это очень огнеопасно, и когда это перегревает, это может загореться. В течение многих лет ученые искали более безопасные материалы батареи, у которых все еще есть те же самые преимущества как литий. В то время как пластмассы (или полимеры) походили на очевидный выбор, исследователи никогда полностью поняли, как материал изменится, когда обвинение в ионе было введено.Теперь команда Маккормика женилась на двух традиционных теориях в материаловедении, которое может объяснить, как обвинение диктует структуру материала.
Это открывает дверь для многих заявлений, включая новый класс батарей.«Есть огромное усилие пойти вне лития в легковоспламеняющемся растворителе», говорит Моника Ольвера де Ла-Крус, профессор адвоката Тейлора Материаловедения и Технический и ведущий автор бумаги. «Люди смотрели на альтернативы, которые не являются взрывчатыми, как пластмассы.
Но они не знали, как вычислить то, что происходит, когда Вы вставляете обвинение».Команда посмотрела на пластмассы, известные как блоксополимеры (BCPs), которые являются двумя типами склеенных полимеров. Они – ведущий материал для использования в качестве проводников иона, потому что они самособираются в наноструктуры, которые и позволить обвинение в ионе транспортируют и поддерживают структурную целостность. У BCPs врожденно есть наноканалы, через которые может переместиться ион, но сами обвинения управляют формой каналов.
Чтобы использовать материал в батареях, исследователи должны найти способ управлять формой наноканалов, так, чтобы обвинение переместилось хорошо.«Если Вы можете оптимизировать способность обвинения переместиться через систему, тогда Вы можете оптимизировать власть, которая на самом деле выходит из батареи», говорит Чарльз Синг, постдокторант в лаборатории Olvera de la Cruz и первый автор статьи.Проблема заключается в структуре материала.
BCPs – очень длинные цепи молекул. Когда они протянуты, они простираются по расстояниям, намного больше, чем типичный размер обвинений в ионе. Однако обвинения все еще имеют сильный эффект на наноканалы несмотря на то, чтобы быть намного меньшим.
Чтобы правильно понять динамику BCPs, различные теории необходимы для различных шкал расстояний.Чтобы понять, как обвинение в ионе изменяет структуру наноканалов BCP, Пойте, и Джос Званиккен, преподаватель научного сотрудника в той же самой лаборатории, объединил две традиционных теории: Последовательная Полевая Теория и Теория жидкого состояния. Последовательная Полевая Теория описывает, сколько времени молекулы ведут себя.«Теория жидкого состояния, с другой стороны, описывает, как обвинения работают на очень местных, атомных уровнях», говорит Званиккен.
В то время как эти две теории были изучены, всесторонние, в течение многих десятилетий, никто ранее не соединил их. Когда объединено, они обеспечивают новый способ посмотреть на системы наноканала.
Электрическое обвинение, известное как ион, связано с противоположно заряженной молекулой, известной как противоион, который также присутствует в наноканале. Вместе, эти ионы и противоионы высоко привлечены друг другу и формируют соль. Эта группа солей в миниатюрные кристаллы, которые проявляют силу на наноканалах, изменяя их структуру.
Olvera de la Cruz и ее группа нашли, что эти два эффекта уравновешивают друг друга – соли хотят сформировать мини-кристаллы, который вынуждает наноканал исказить. Это понимание позволяет предсказать и даже проектировать «систему шоссе», через которую ионы транспортируются, максимизируя мощность батареи.Надежды команды их открытие будет вести экспериментаторов, поскольку они проверяют материалы.
Это даст исследователям больше информации о физических понятиях, лежащих в основе систем BCP.Olvera de la Cruz говорит, «Мы обеспечили инструменты, чтобы понять эти системы под включением эффектов ионной шкалы расстояний в полимер мезомасштабная морфология».
«Электростатический контроль морфологии блоксополимера» появился в выпуске 8 июня Материалов Природы.