Bränsleceller och batterier tillhandahåller elektricitet genom att generera och koaxa positivt laddade joner från en positiv till en negativ terminal som frigör negativt laddade elektroner till strömkällor, bilar, satelliter, eller vad de än är kopplade till. En kritisk del av dessa enheter är barriären mellan dessa terminaler, som måste separeras för att el ska strömma.

Förbättringar av den barriären, känd som en elektrolyt, behövs för att göra energilagringsenheter tunnare, mer effektiv, säkrare, och snabbare att ladda. Vanligt använda flytande elektrolyter är skrymmande och utsatta för shorts, och kan utgöra en brand- eller explosionsrisk om de punkteras.

Forskning som leds av ingenjörer från University of Pennsylvania tyder på en annan väg framåt:en ny och mångsidig typ av fast polymerelektrolyt (SPE) som har dubbelt så hög protonledningsförmåga som det nuvarande toppmoderna materialet. Sådana SPE finns för närvarande i bränsleceller med protonbytarmembran, men forskarnas nya design kan också anpassas för att fungera för litiumjon- eller natriumjonbatterier som finns i konsumentelektronik.

Studien, publicerad i Naturmaterial , leddes av Karen I. Winey, TowerBrook Foundation fakultetsmedlem, professor och ordförande för institutionen för materialvetenskap och teknik, och Edward B. Trigg, sedan en doktorand i hennes labb. Demi E. Moed, en grundmedlem i Winey lab, var en medförfattare.

De samarbetade med Kenneth B. Wagener, George B. Butler professor i polymerkemi vid University of Florida, Gainesville, och Taylor W. Gaines, en doktorand i sin grupp. Mark J. Stevens, från Sandia National Laboratories, bidragit också till denna studie, liksom Manuel Maréchal och Patrice Rannou, franska nationella centrumet för vetenskaplig forskning, den franska alternativa energi- och atomenergikommissionen, och Université Grenoble Alpes.

En mängd SPE finns redan. Nafion, som används i stor utsträckning i protonbytarmembranbränsleceller, är ett ark av flexibel plast som är permeabel för protoner och ogenomtränglig för elektroner. Efter att ha absorberat vatten, protoner kan flöda genom mikroskopiska kanaler som spänner över filmen.

En tunn, SPE som Nafion lockar särskilt för bränsleceller i rymdapplikationer, där varje kilogram räknas. Mycket av huvuddelen av bärbara batterier kommer från skärmning som är utformad för att skydda flytande elektrolyter från punkteringar. System som använder flytande elektrolyter måste separera elektroderna längre ifrån varandra än deras fasta elektrolytmotstycken, eftersom metalluppbyggnad på elektroderna så småningom kan korsa kanalen och orsaka kortslutning.

Nafion tar itu med dessa problem, men det finns fortfarande mycket utrymme för förbättringar.

"Nafion är något av en lycka, "Winey säger." Dess struktur har varit föremål för debatt i årtionden, och kommer sannolikt aldrig att förstås eller kontrolleras fullt ut. "

Nafion är svårt att studera eftersom dess struktur är slumpmässig och oordning. Denna fluorerade polymer förgrenar sig ibland till sidokedjor som slutar med sulfonsyragrupper. Det är dessa sulfonsyror som drar in vatten och bildar kanalerna som möjliggör protontransport från ena sidan av filmen till den andra. Men eftersom dessa sidokedjor förekommer i slumpmässiga positioner och har olika längder, de resulterande kanalerna genom den störda polymeren är en vriden labyrint som transporterar joner.

Med ett öga mot att skära igenom denna labyrint, Wineys grupp samarbetade nyligen med Stevens för att upptäcka en ny protontransporterande struktur som har beställt lager. Dessa lager har många parallella syrakantade kanaler genom vilka protoner snabbt kan strömma.

"Det är som motorvägar mot landsvägarna i Provence, "Säger Winey.

Denna nya struktur är resultatet av en speciell kemisk syntesväg som utvecklats av Wageners grupp vid University of Florida. Denna väg placerar syragrupperna jämnt längs en polymerkedja så att avståndet mellan de funktionella grupperna är tillräckligt långt för att kristallisera. Den mest detaljerade strukturella analysen hittills var på en polymer med exakt 21 kolatomer mellan karboxylsyragrupper, polymeren som inledde Penn-Florida-samarbetet för ett decennium sedan.

Medan Wineys grupp och Stevens arbetade fram strukturen och noterade att det är möjligt att transportera joner, Wageners grupp arbetade med att införliva sulfonsyragrupper för att demonstrera mångfalden av kemiska grupper som kunde fästas till polyetener. Båda lagen insåg att protonkonduktivitet skulle kräva den starkare syran.

"Just att placera sulfonsyragrupperna längs polyeten visade sig vara vår största syntetiska utmaning, "Säger Wagener." Framgången skedde äntligen i händerna på Taylor Gaines, som utarbetade ett schema som vi kallar 'heterogen till homogen avskyddning' av sulfonsyragruppestern. Det var denna syntetiska process som slutligen ledde till bildandet av precisionssulfonsyrapolymerer. "

Detaljerna i denna process publicerades också nyligen i tidskriften Macromolecular Chemistry and Physics.

Med kedjorna som bildar en serie hårnålsformer med en sulfonsyragrupp vid varje varv, polymeren samlas i ordnade lager, bilda raka kanaler istället för den slingrande labyrinten som finns i Nafion.

Det finns, bokstavligen, fortfarande några knark att träna. Gruppens nästa steg är att orientera dessa lager i samma riktning genom hela filmen.

"Vi är redan snabbare än Nafion med en faktor två, men vi kunde vara ännu snabbare om vi justerade alla dessa lager rakt över elektrolytmembranet, "Säger Winey.

Mer än att förbättra bränsleceller där Nafion för närvarande är anställd, de kristallisationsinducerade skikten som beskrivs i forskarstudien kan utvidgas till att fungera med funktionella grupper som är kompatibla med andra typer av joner.

"Bättre protonledning är definitivt värdefull, men jag tror att mångsidigheten i vårt tillvägagångssätt är det som ytterst är det viktigaste, "Winey säger." Det finns fortfarande ingen tillräckligt bra fast elektrolyt för litium eller för hydroxid, en annan vanlig bränslecelljon, och alla som försöker designa nya SPE använder ett helt annat tillvägagångssätt än vårt. "

Mobiltelefonbatterier tillverkade med denna typ av SPE kan vara tunnare och säkrare, med jonkanalerna i superhighway-stil som möjliggörs av forskarnas design, ladda mycket snabbare.

"Precisionssyntes har varit en av de stora utmaningarna inom polymervetenskap, och detta anmärkningsvärda arbete visar hur det kan öppna dörrar till nya material med stort löfte, säger Linda Sapochak, chef för National Science Foundation's Division of Materials Research. "NSF är glada över att se att dess stöd vid båda universiteten för detta integrativa samarbete har lett till ett synergistiskt genombrott."