De flesta av oss har sett dramatiska fotografier av bärbara datorer och till och med bilar som har brutit i lågor på grund av fel i litiumjonbatterier. I mycket större skala, batteribränder jordade Boeings 787 Dreamliner-jetplan i flera månader under 2013 samtidigt som företaget implementerade nya funktioner för att minska risken för överhettning och förbränning.

Boven i många av dessa spontana bränder är bildandet av förgrenade kristallina massor som kallas dendriter som bildas när litiumbatterier genomgår upprepade laddnings-urladdningscykler. Så småningom "bryggar" kristallerna katoden och anoden, kortslutning av batteriet och underlättar genereringen av gnistor som kan antända den brandfarliga flytande elektrolyten som är inklämd mellan elektroderna.

För att lösa detta problem, ett forskarlag vid University of Delaware ledd av Thomas H. Epps, III, Thomas och Kipp Gutshall docent i kemiteknik, designar nya fasta elektrolyter med avsmalnande blockpolymerer för att ersätta de flytande elektrolyterna. I samarbete med forskare vid MIT, Epps har också hjälpt till att anpassa en ytanalysteknik för att karakterisera dessa nanostrukturerade polymerer.

Konstruera materialet

På senare år har blockpolymerer har fått stor uppmärksamhet som livskraftiga uppladdningsbara ledande och transportmembranmaterial på grund av deras unika kombination av termiska, mekanisk och elektrokemisk stabilitet.

Epps liknar blockpolymerer med tåg och tågbilar i nanoskala. Precis som ett tåg kan bestå av olika bilar — vissa, som tankfartyg, bära vätskor och annat, som flak, bärande fast last—blockpolymeren innehåller olika polymersegment sammankopplade till block med olika egenskaper.

Blockpolymererna som används i batterimembran består typiskt av ett vätskeliknande block komplexbundet med ett metallsalt för att bilda jonledande vägar såväl som ett styvt block för att motstå dendritbildning och ge termisk och mekanisk stabilitet.

Epps och hans team har tagit konceptet med blockpolymerer ett steg längre genom att minska gränssnittet, eller övergångsområdet mellan block, så att egenskaperna hos de olika polymerblocken varvas.

Förbättra konduktiviteten genom att kontrollera termiskt beteende

En kritisk egenskap för jonledande polymerer är glasövergångstemperaturen, eller temperaturen över vilken en amorf polymer antar en mer vätskeliknande karaktär och under vilken den är "glasaktig" eller fastliknande.

Epps och hans team har visat att sammansättningen av det avsmalnande området mellan polymerblocken signifikant påverkar temperaturen i polymerelektrolyter, påverkar således jonkonduktiviteten.

"Att sänka glasövergångstemperaturen med bara sju grader kan öka ledningsförmågan hos polymerbaserade elektrolyter med cirka 150 procent, " säger han. "Och om vi sänker den med ytterligare tre grader, vi kan tredubbla konduktiviteten."

Analyserar nanostrukturen

En primär utmaning med att använda blockpolymerer ligger i att kontrollera och analysera platsen och den rumsliga fördelningen av de olika komponenterna i nanoskala och atomskala i dessa självmonterande material. Alla metoder som används för att utvärdera materialen måste kunna "se" strukturen på nanoskala utan att orsaka skada som förvirrar eller på annat sätt förvirrar analysen.

I samarbete med forskare vid MIT, där han tillbringade läsåret 2012-13 på sabbatsår som Martin Luther King, Jr. gästprofessor i kemi, Epps hjälpte till att tillämpa en ny teknik, C ₆₀ ⁺ djupprofilerande röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS), till nanostrukturerade polymerer som underlättar analysen av både kemisk och atomär information i ett material som funktion av djup.

XPS är en ytkänslig kvantitativ spektroskopisk teknik som mäter elementär sammansättning i hög upplösning. Epps och hans MIT-kollegor använde XPS där fotbollsbollsformade molekyler kallade "buckyballs" användes för att etsa igenom polymerfilmen, gör det möjligt att undersöka den kemiska sammansättningen som en funktion av djupet.

"Nu när vi har ett sätt att mer fullständigt karakterisera vad som händer på nanoskala i avsmalnande blockpolymerer, vi kan designa dem med de exakta egenskaper som behövs för specifika applikationer, säger Epps.

"Även om vi framgångsrikt har tillämpat tekniken för att utvärdera material för batteriapplikationer, vi tror att de unika egenskaperna hos C ₆₀ ⁺ djupprofilerande XPS gör det till ett kraftfullt verktyg för analys av tunna filmer av nanostrukturerade polymerer i applikationer som sträcker sig från energilagring och generering till ytbeläggningar och mallar i nanoskala."

Om forskningen

Materialsystemet som studerades av Epps och hans team bestod av mekaniskt stel polystyren (PS) och jonledande poly(oligo-oxietylenmetakrylat) (POEM). Arbetet dokumenteras i ett papper, "Kontrollerad jonledningsförmåga via koniska blockpolymerelektrolyter, " publicerades i RSC Advances 2015. Tidningen var medförfattare av Wei-Fan Kuan, Roddel Remy, och Michael Mackay på UD:s institution för kemi- och biomolekylär teknik och institutionen för materialvetenskap och teknik.

Karakteriseringsarbetet är detaljerat i ett papper, "Bestämning av litiumjondistribution i nanostrukturerade blockpolymerelektrolyttunna filmer genom röntgenfotoelektronspektroskopi djupprofilering, " publicerad i ACS Nano 2015. Tidningen var medförfattare av Jonathan Gilbert, Michael Rubner och Robert Cohen vid MIT och Ming Luo vid UD:s institution för kemi- och biomolekylär teknik.