Dai primi anni '70, il litio è stato l'elemento più popolare per le batterie:è il più leggero di tutti i metalli e ha il maggior potenziale elettrochimico.

Ma una batteria al litio ha un grosso svantaggio:è altamente infiammabile, e quando si surriscalda, può prendere fuoco. Per anni, gli scienziati hanno cercato materiali per batterie più sicuri che abbiano ancora gli stessi vantaggi del litio. Mentre la plastica (o i polimeri) sembrava una scelta ovvia, i ricercatori non hanno mai capito completamente come il materiale sarebbe cambiato quando è stata introdotta una carica ionica.

Ora un team della Northwestern University ha sposato due teorie tradizionali nella scienza dei materiali che possono spiegare come la carica detti la struttura del materiale. Questo apre le porte a molte applicazioni, inclusa una nuova classe di batterie.

"C'è uno sforzo enorme per andare oltre il litio in un solvente infiammabile, "dice Monica Olvera de la Cruz, Avvocato Taylor Professore di Scienza e Ingegneria dei Materiali alla Northwestern e autore senior dell'articolo. "La gente ha cercato alternative che non siano esplosive, come la plastica. Ma non sapevano come calcolare cosa succede quando si carica".

La loro carta, intitolato "Controllo elettrostatico della morfologia dei copolimeri a blocchi, " è stato pubblicato nel numero dell'8 giugno di Materiali della natura .

Il team ha esaminato le plastiche note come copolimeri a blocchi (BCP) che sono due tipi di polimeri incollati insieme. Sono un materiale leader per l'uso come conduttori di ioni perché si autoassemblano in nanostrutture che consentono il trasporto della carica ionica e mantengono l'integrità strutturale. I BCP hanno innatamente nanocanali attraverso i quali lo ione può viaggiare, ma le cariche stesse manipolano la forma dei canali. Per utilizzare il materiale nelle batterie, i ricercatori devono trovare un modo per controllare la forma dei nanocanali, in modo che la carica si muova bene.

"Se puoi ottimizzare la capacità della carica di muoversi attraverso il sistema, quindi puoi ottimizzare la potenza che effettivamente esce dalla batteria, "dice Carlo Cantare, un borsista post-dottorato nel laboratorio di Olvera de la Cruz e primo autore del documento.

Il problema sta nella struttura del materiale. I BCP sono catene molto lunghe di molecole. Quando sono distesi, si estendono su distanze molto maggiori della dimensione tipica delle cariche ioniche. Però, le cariche hanno ancora un forte effetto sui nanocanali nonostante siano molto più piccole. Per comprendere correttamente le dinamiche dei BCP, sono necessarie teorie diverse per le diverse scale di lunghezza.

Per capire come la carica ionica modifica la struttura dei nanocanali dei BCP, Canta e Jos Zwanikken, un professore assistente di ricerca nello stesso laboratorio, combinava due teorie tradizionali:la Teoria del Campo Autoconsistente e la Teoria dello Stato Liquido. La teoria dei campi autoconsistente descrive per quanto tempo si comportano le molecole.

"Teoria dello stato liquido, d'altra parte, descrive come operano le tariffe molto locali, livelli atomici, " dice Zwanikken.

Mentre queste due teorie sono state studiate, approfondito, per decenni, nessuno li ha mai messi insieme. Quando combinato, forniscono un nuovo modo di guardare ai sistemi di nanocanali. La carica elettrica, noto come ione, è associato a una molecola di carica opposta, noto come controione, che è presente anche nel nanocanale. Insieme, questi ioni e controioni sono fortemente attratti l'uno dall'altro e formano un sale. Questi sali si raggruppano in cristalli in miniatura, che esercitano una forza sui nanocanali, cambiando la loro struttura.

Olvera de la Cruz e il suo gruppo hanno scoperto che questi due effetti si equilibrano a vicenda:i sali vogliono formare mini-cristalli, che costringe il nano-canale a deformarsi. Questa comprensione rende possibile prevedere e persino progettare un "sistema autostradale" attraverso il quale vengono trasportati gli ioni, massimizzando la potenza della batteria.

Il team spera che la loro scoperta guidi gli sperimentali mentre testano i materiali. Fornirà ai ricercatori maggiori informazioni sui concetti fisici alla base dei sistemi BCP.

Olvera de la Cruz dice, "Abbiamo fornito gli strumenti per comprendere questi sistemi includendo gli effetti della scala della lunghezza ionica nella morfologia della mesoscala del polimero".