Sedan början av 1970-talet, litium har varit det mest populära elementet för batterier:det är den lättaste av alla metaller och har den största elektrokemiska potentialen.

Men ett litiumbaserat batteri har en stor nackdel:det är mycket brandfarligt, och när den överhettas, det kan brinna i lågor. I åratal, forskare har sökt efter säkrare batterimaterial som fortfarande har samma fördelar som litium. Även om plast (eller polymerer) verkade vara ett självklart val, forskare förstod aldrig helt hur materialet skulle förändras när en jonladdning infördes.

Nu har ett team från Northwestern University gift sig med två traditionella teorier inom materialvetenskap som kan förklara hur laddningen dikterar materialets struktur. Detta öppnar dörren för många applikationer, inklusive en ny klass av batterier.

"Det finns en enorm ansträngning att gå längre än litium i ett brandfarligt lösningsmedel, " säger Monica Olvera de la Cruz, Advokat Taylor professor i materialvetenskap och teknik vid Northwestern och senior författare till uppsatsen. "Folk har tittat på alternativ som inte är explosiva, som plast. Men de visste inte hur de skulle beräkna vad som händer när du lägger in en laddning."

Deras papper, med titeln "Elektrostatisk kontroll av blocksampolymermorfologi, " publicerades i numret 8 juni av Naturmaterial .

Teamet tittade på plaster som kallas blocksampolymerer (BCP) som är två typer av polymerer som sitter ihop. De är ett ledande material för användning som jonledare eftersom de självmonteras till nanostrukturer som både möjliggör transport av jonladdning och bibehåller strukturell integritet. BCP har medfödd nanokanaler genom vilka jonen kan färdas, men själva laddningarna manipulerar formen på kanalerna. För att använda materialet i batterier, forskare måste hitta ett sätt att kontrollera formen på nanokanalerna, så att laddningen rör sig bra.

"Om du kan optimera laddningens förmåga att röra sig genom systemet, då kan du optimera strömmen som faktiskt kommer ut ur batteriet, " säger Charles Sing, en postdoktor i Olvera de la Cruzs labb och första författare till uppsatsen.

Problemet ligger i materialets struktur. BCP är mycket långa kedjor av molekyler. När de sträcks ut, de sträcker sig över avstånd som är mycket större än den typiska storleken på jonladdningarna. Dock, laddningarna har fortfarande en stark effekt på nanokanalerna trots att de är mycket mindre. För att korrekt förstå dynamiken hos BCP:er, Det behövs olika teorier för de olika längdskalorna.

För att förstå hur jonladdningen förändrar strukturen hos BCP:s nanokanaler, Sjung och Jos Zwanikken, en forskarassistent i samma labb, kombinerade två traditionella teorier:Self-Consistent Field Theory och Liquid State Theory. Self-Consistent Field Theory beskriver hur långa molekyler beter sig.

"Liquid State Theory, å andra sidan, beskriver hur avgifter fungerar på mycket lokala, atomnivåer, " säger Zwanikken.

Även om dessa två teorier har studerats, djupgående, i årtionden, ingen har tidigare satt ihop dem. När de kombineras, de ger ett nytt sätt att se på nanokanalsystemen. Den elektriska laddningen, känd som en jon, är associerad med en motsatt laddad molekyl, känd som en motjon, som också finns i nanokanalen. Tillsammans, dessa joner och motjoner attraheras starkt av varandra och bildar ett salt. Dessa salter samlas i miniatyrkristaller, som utövar en kraft på nanokanalerna, ändra sin struktur.

Olvera de la Cruz och hennes grupp fann att dessa två effekter balanserar varandra - salterna vill bilda minikristaller, vilket tvingar nanokanalen att deformeras. Denna förståelse gör det möjligt att förutsäga och till och med designa ett "motorvägssystem" genom vilket jonerna transporteras, maximera batteriets kraft.

Teamet hoppas att deras fynd kommer att vägleda experimentalister när de testar material. Det kommer att ge forskare mer information om de fysiska koncepten som ligger bakom BCP-system.

Olvera de la Cruz säger, "Vi har tillhandahållit verktygen för att förstå dessa system genom att inkludera jonlängdsskaleffekter i polymerens mesoskala morfologi."