Le celle a combustibile e le batterie forniscono elettricità generando e inducendo ioni con carica positiva da un terminale positivo a uno negativo che libera gli elettroni con carica negativa per alimentare i cellulari, macchine, satelliti, o qualsiasi altra cosa a cui sono collegati. Una parte critica di questi dispositivi è la barriera tra questi terminali, che devono essere separati per far circolare l'elettricità.

Miglioramenti a quella barriera, noto come elettrolita, sono necessari per rendere più sottili i dispositivi di accumulo di energia, più efficiente, più sicuro, e più veloce da ricaricare. Gli elettroliti liquidi comunemente usati sono ingombranti e soggetti a cortocircuiti, e possono presentare un rischio di incendio o esplosione se vengono forati.

La ricerca condotta dagli ingegneri dell'Università della Pennsylvania suggerisce una strada diversa:un nuovo e versatile tipo di elettrolita polimerico solido (SPE) che ha il doppio della conduttività protonica dell'attuale materiale allo stato dell'arte. Tali SPE si trovano attualmente nelle celle a combustibile con membrana a scambio protonico, ma il nuovo design dei ricercatori potrebbe anche essere adattato per funzionare con le batterie agli ioni di litio o sodio che si trovano nell'elettronica di consumo.

Lo studio, pubblicato in Materiali della natura , era guidata da Karen I. Winey, Borsista della Fondazione TowerBrook, professore e presidente del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali, e Edward B. Trigg, poi una studentessa di dottorato nel suo laboratorio. Demi E. Moed, un membro universitario del laboratorio Winey, era un coautore.

Hanno collaborato con Kenneth B. Wagener, George B. Butler Professore di chimica dei polimeri presso l'Università della Florida, Gainesville, e Taylor W. Gaines, uno studente laureato nel suo gruppo. Mark J. Stevens, dei Laboratori Nazionali Sandia, contribuito anche a questo studio, così come Manuel Maréchal e Patrice Rannou, del Centro nazionale francese per la ricerca scientifica, la Commissione francese per le energie alternative e l'energia atomica, e l'Université Grenoble Alpes.

Esiste già una varietà di SPE. Nafion, che è ampiamente utilizzato nelle celle a combustibile con membrana a scambio protonico, è un foglio di plastica flessibile permeabile ai protoni e impermeabile agli elettroni. Dopo aver assorbito l'acqua, i protoni possono fluire attraverso canali microscopici che attraversano il film.

Un sottile, SPE come Nafion è particolarmente allettante per le celle a combustibile nelle applicazioni aerospaziali, dove ogni chilogrammo conta. Gran parte della maggior parte delle batterie portatili proviene da schermature progettate per proteggere gli elettroliti liquidi dalle forature. I sistemi che utilizzano elettroliti liquidi devono separare ulteriormente gli elettrodi rispetto alle loro controparti con elettroliti solidi, poiché l'accumulo di metallo sugli elettrodi può eventualmente attraversare il canale e causare un cortocircuito.

Nafion affronta questi problemi, ma c'è ancora molto margine di miglioramento.

"Nafion è una specie di colpo di fortuna, " dice Winey. "La sua struttura è stata oggetto di dibattito per decenni, e probabilmente non sarà mai completamente compreso o controllato."

Nafion è difficile da studiare perché la sua struttura è casuale e disordinata. Questo polimero fluorurato si dirama occasionalmente in catene laterali che terminano con gruppi di acido solfonico. Sono questi acidi solfonici che attirano l'acqua e formano i canali che consentono il trasporto di protoni da un lato all'altro del film. Ma poiché queste catene laterali si verificano in posizioni casuali e sono di lunghezze diverse, i canali risultanti attraverso il polimero disordinato sono un labirinto tortuoso che trasporta ioni.

Con un occhio verso il taglio attraverso questo labirinto, Il gruppo di Winey ha recentemente collaborato con Stevens per scoprire una nuova struttura di trasporto di protoni che ha ordinato gli strati. Questi strati presentano molti canali paralleli rivestiti di acido attraverso i quali i protoni possono fluire rapidamente.

"È come le autostrade contro le strade di campagna della Provenza, " dice Wine.

Questa nuova struttura è il risultato di uno speciale percorso di sintesi chimica sviluppato dal gruppo di Wagener presso l'Università della Florida. Questo percorso posiziona uniformemente i gruppi acidi lungo una catena polimerica in modo tale che la distanza tra i gruppi funzionali sia sufficientemente lunga da cristallizzare. L'analisi strutturale più dettagliata fino ad oggi è stata su un polimero con esattamente 21 atomi di carbonio tra gruppi di acidi carbossilici, il polimero che ha avviato la collaborazione Penn-Florida un decennio fa.

Mentre il gruppo di Winey e Stevens stavano elaborando la struttura e notando il suo potenziale per il trasporto di ioni, Il gruppo di Wagener stava lavorando per incorporare gruppi di acido solfonico per dimostrare la diversità dei gruppi chimici che potrebbero essere attaccati ai polietileni. Entrambe le squadre si sono rese conto che la conduttività del protone avrebbe richiesto l'acido più forte.

"Il posizionamento preciso dei gruppi di acido solfonico lungo il polietilene si è rivelato la nostra più grande sfida sintetica, " dice Wagener. "Finalmente il successo è arrivato nelle mani di Taylor Gaines, che ha ideato uno schema che chiamiamo "deprotezione da eterogenea a omogenea" dell'estere del gruppo dell'acido solfonico. È stato questo processo sintetico che alla fine ha portato alla formazione dei polimeri di acido solfonico di precisione".

I dettagli di questo processo sono stati recentemente pubblicati anche sulla rivista Macromolecular Chemistry and Physics.

Con le catene che formano una serie di forme a forcina con un gruppo di acido solfonico ad ogni giro, il polimero si assembla in strati ordinati, formando canali diritti invece del tortuoso labirinto trovato a Nafion.

Ci sono, letteralmente, ancora alcuni nodi da risolvere. Il prossimo passo del gruppo è orientare questi strati nella stessa direzione per tutto il film.

"Siamo già più veloci di Nafion di un fattore due, ma potremmo essere ancora più veloci se allineassimo tutti quegli strati direttamente sulla membrana elettrolitica, " dice Wine.

Più che migliorare le celle a combustibile dove Nafion è attualmente impiegato, gli strati indotti dalla cristallizzazione descritti nello studio dei ricercatori potrebbero essere estesi per lavorare con gruppi funzionali compatibili con altri tipi di ioni.

"Una migliore conduzione protonica è sicuramente preziosa, ma penso che la versatilità del nostro approccio sia ciò che in definitiva è più importante, " dice Winey. "Non c'è ancora un elettrolita solido sufficientemente buono per il litio o per l'idrossido, un altro ione di cella a combustibile comune, e tutti coloro che stanno cercando di progettare nuove SPE utilizzano un approccio molto diverso dal nostro."

Le batterie dei cellulari realizzate con questo tipo di SPE potrebbero essere più sottili e più sicure, con i canali ionici in stile superstrada abilitati dal design dei ricercatori, ricarica molto più velocemente.

"La sintesi di precisione è stata una delle grandi sfide nella scienza dei polimeri, e questo straordinario lavoro dimostra come può aprire le porte a nuovi materiali di grande promessa, "dice Linda Sapochak, direttore della Divisione di ricerca sui materiali della National Science Foundation. "NSF è entusiasta di vedere che il suo supporto in entrambe le università per questa collaborazione integrativa ha portato a una svolta sinergica".