Föreställ dig en värld där mobiltelefoner och bärbara datorer kan laddas på några minuter istället för timmar, ihoprullad och förvarad i fickan, eller tappas utan att ta skada. Det är möjligt, enligt University of Delaware professor Thomas H. Epps, III, men materialen är inte där än.

Så, vad håller tillbaka tekniken?

Till att börja, det skulle krävas mer ledande, flexibla och lättare batterier, sa Epps, som är Thomas och Kipp Gutshall professor i kemi- och biomolekylär teknik och professor vid institutionen för materialvetenskap och teknik vid UD.

Batterierna skulle behöva vara mer slagtåliga och säkrare, för. I maj, en e-cigarett exploderade i Florida och dödade en man. Bevis tyder på att denna olyckliga olycka kan bero på batterirelaterade problem, enligt U.S. Food and Drug Administration. Liknande problem har plågat enheter som Samsung Galaxy Note 7 och hjälpkraftenheter till Boeing Dreamliner.

"Alla dessa utmaningar kom från batterier som har säkerhets- och stabilitetsproblem när målet är att pressa prestanda, sa Epps, en expert på att designa och tillverka ledande membran användbara i energigenerering och lagringsenheter.

Ett sätt att övervinna denna utmaning i litiumjonbatterierna för ovanstående enheter är att förbättra batterimembranen – och de tillhörande elektrolyterna – som är utformade för att transportera litiumjonerna, som kompenserar den elektriska laddningen i samband med laddning och urladdning av batteriet.

På UD, Epps team har patenterat en idé för att förbättra batteriets prestanda genom att införa avsmalnande egenskaper i polymermembranets elektrolyter som gör att litiumjonerna inuti batteriet kan färdas fram och tillbaka snabbare.

Det är en stor idé som börjar med små delar.

Liten vetenskap, stor påverkan

Allt börjar med polymerer, som är material gjorda av små molekyler hopträdda som pärlor på ett halsband för att skapa en lång kedja. Genom att kemiskt koppla två eller flera polymerkedjor med olika egenskaper, ingenjörer kan skapa blockpolymerer som drar nytta av de framträdande egenskaperna från båda materialen. Till exempel, polystyren i en frigolitkopp är relativt hård och spröd, medan polyisopren (tappad från ett gummiträd) är trögflytande och melassliknande. När dessa två polymerer är kopplade kemiskt, ingenjörer kan skapa material för vardagliga föremål som bildäck och gummiband – material som håller sin form men är slagtåliga och töjbara.

Epps introducerades för att blockera polymerer som student vid Massachusetts Institute of Technology medan han arbetade i professor Paula Hammonds labb, och igen när han arbetade på Goodyear Tire &Rubber Company under Adel Halasa som en del av ett GEM Fellowship. Goodyear undersökte användningen av koniska flerkomponentspolymerer för att skapa däck med mer elasticitet, däck som skulle greppa vägen bättre utan att offra prestanda eller hållbarhet.

År senare, jobbar på UD, Epps grupp tog idén ett steg längre och insåg att de kunde ställa in nanoskalan (1/1, 000:e bredden av ett människohår) strukturen hos dessa polymerer för att genomsyra material med vissa mekaniska, värme- och konduktivitetsegenskaper.

En av fördelarna med blockpolymerer är att de tillåter forskare att kombinera två eller flera komponenter som ofta är kemiskt inkompatibla, vilket betyder att de inte blandas (tänk på olja och vatten). Samma förmån, dock, kan ge utmaningar med hur materialen kan bearbetas. Epps-gruppen fastställde att avsmalnande av regionen där de två distinkta polymerkedjorna ansluter kan främja blandning mellan mycket inkompatibla material på ett sätt som gör bearbetning och tillverkning snabbare och billigare genom att antingen kräva mindre energi eller mindre lösningsmedel i tillverkningsprocessen.

Genom att manipulera avsmalningen kunde forskarna också kontrollera strukturerna i nanoskala som kan bildas av blockpolymererna. Genom att införliva avsmalningarna, Epps team kan skapa nätverk i nanoskala som gör batterimaterialen mer ledande – genom att introducera motorvägar i nanoskala och eliminera flaskhalsar i trafiken, tillåter joner att röra sig med högre hastigheter och gör polymeren mer effektiv i batteriapplikationer.

"Tekniskt, vi vill leda joner snabbare … detta tillvägagångssätt i polymerer skulle tillåta oss att få ut mer kraft ur batterierna. Det skulle göra det möjligt för batterierna att laddas snabbare, på ett sätt som också är säkrare. Vi är inte där än, men det är målet, sa Epps, som patenterade konceptet genom UD:s kontor för ekonomisk innovation och partnerskap.

Han kallar detta arbete en "designer approach" till polymervetenskap.

Priyanka Ketkar, en doktorand i kemi- och biomolekylär teknik, vill göra skillnad i världen genom forskning. Ketkar beskrev Epps forskargrupp som en bra passform, där hon tränar sin mentala muskel på följdproblem relaterade till energilagring.

I laboratorieförsök, Ketkar och andra i Epps-gruppen har visat att införandet av en avsmalnande region mellan polymerelektrolytkedjorna faktiskt ökade den totala jonkonduktiviteten över en rad temperaturer. Vid rumstemperatur, till exempel, de avsmalnande materialen är dubbelt så ledande som deras icke-avsmalnande motsvarigheter. Men det är inte allt. Avsmalningen förbättrar materialets förmåga att bearbetas, för.

"Tidigare metoder för att öka konduktiviteten har antingen gjort polymeren svårare att bearbeta eller använt större mängder kemiskt lösningsmedel, vilket gör materialet mer brandfarligt och mindre miljövänligt, ", sa Ketkar. "Det är därför jag är väldigt exalterad över detta nya tillvägagångssätt."

Designerpolymererna är användbara för litiumjonbatterier, men även tillämpligt på andra uppladdningsbara system, såsom natriumjon- och kaliumjonbatterier, sa Epps. Andra applikationer inkluderar användning av avsmalnande polymerer för att tillverka material som kan produceras vid lägre temperaturer eller med mindre lösningsmedel för applikationer som däck, gummiband och lim.

Framtida tillämpningar inkluderar flexibla batterier

När tekniken rasar framåt, Epps förväntar sig att de kommande fem till tio åren kommer att inleda en uppsjö av enheter som kan flexa och rulla, som mobiltelefoner och datorer.

"Det enda sättet detta fungerar är om alla komponenter är flexibla, inklusive batteri och kraftenheter, inte bara fallet, skärm eller knappar, " Epps sa. "Denna aspekt är där blockpolymerer blir verkligen idealiska eftersom - som ett gummiband som kommer ihåg sin form trots sträckning, böjning och annan manipulation - med polymerer, du kan göra de inre komponenterna mer slagtåliga och stötdämpande, vilket kommer att förbättra telefonens livslängd."

Det kan finnas andra applikationer för designerpolymerer, för.

"Tänk om det fanns en sensor inuti fotbollen som var designad för att varna funktionärer när en spelare korsar en specifik gård, säg för ett första försök, " sa Epps. "Du skulle inte behöva förlita dig på en funktionärs syn på spelet eller omedelbar repris."

Men, fotbollar kastas runt och spelarna som håller i dem blir ofta träffade.

"Du skulle behöva något som inte går sönder eller läcker, så att använda en polymer som har materialegenskaperna t.ex. ett gummiband, som också kan leda joner som ett batteri skulle vara en perfekt lösning, " sade Epps. "Denna väg är en riktning i vilken du kan föreställa dig att dessa material blommar ut."

Epps utsågs nyligen till fellow i Royal Society of Chemistry, baserat i Storbritannien. För att få denna ära, forskare måste ha gjort ett genomslag inom de kemiska vetenskaperna.