La maggior parte di noi ha visto fotografie drammatiche di laptop e persino auto che hanno preso fuoco a causa di guasti nelle batterie agli ioni di litio. Su scala molto più ampia, gli incendi delle batterie hanno messo a terra i jet 787 Dreamliner della Boeing per diversi mesi nel 2013, mentre la società ha implementato nuove funzionalità per ridurre il rischio di surriscaldamento e combustione.

Il colpevole di molti di questi incendi spontanei è la formazione di masse cristalline ramificate chiamate dendriti che si formano quando le batterie al litio subiscono ripetuti cicli di carica-scarica. Alla fine i cristalli "collegano" il catodo e l'anodo, cortocircuitando la batteria e facilitando la generazione di scintille che possono incendiare l'elettrolita liquido infiammabile racchiuso tra gli elettrodi.

Per affrontare questo problema, un gruppo di ricerca dell'Università del Delaware guidato da Thomas H. Epps, III, il professore associato di ingegneria chimica Thomas e Kipp Gutshall, sta progettando nuovi elettroliti solidi utilizzando polimeri a blocchi conici per sostituire gli elettroliti liquidi. In collaborazione con i ricercatori del MIT, Epps ha anche aiutato ad adattare una tecnica di analisi della superficie per caratterizzare questi polimeri nanostrutturati.

Ingegnerizzare il materiale

Negli ultimi anni, i polimeri a blocchi hanno ricevuto una notevole attenzione come materiali di membrana conduttori e di trasporto ricaricabili vitali grazie alla loro combinazione unica di calore, stabilità meccanica ed elettrochimica.

Epps paragona i polimeri a blocchi a treni e vagoni su scala nanometrica. Proprio come un treno può essere composto da vari vagoni, alcuni, come cisterne, trasportare fluidi e altri, come i pianali, portante un carico solido:il polimero a blocchi contiene vari segmenti di polimero collegati tra loro in blocchi con caratteristiche diverse.

I polimeri a blocchi utilizzati nelle membrane delle batterie sono tipicamente costituiti da un blocco simile a un liquido complessato con un sale metallico per formare percorsi conduttori di ioni e da un blocco rigido per resistere alla formazione di dendriti e conferire stabilità termica e meccanica.

Epps e il suo team hanno portato il concetto di polimeri a blocchi un passo avanti, assottigliando l'interfaccia, o la regione di transizione tra i blocchi, in modo che le proprietà dei diversi blocchi polimerici siano intervallate.

Miglioramento della conduttività controllando il comportamento termico

Una proprietà critica per i polimeri conduttori di ioni è la temperatura di transizione vetrosa, oppure la temperatura al di sopra della quale un polimero amorfo assume un carattere più liquido e al di sotto della quale è "vetroso" o solido.

Epps e il suo team hanno dimostrato che la composizione della regione rastremata tra i blocchi polimerici ha un impatto significativo su quella temperatura negli elettroliti polimerici, influenzando così la conducibilità ionica.

"L'abbassamento della temperatura di transizione vetrosa di soli sette gradi può aumentare la conduttività degli elettroliti a base di polimeri di circa il 150%, " dice. "E se lo abbassiamo di altri tre gradi, possiamo triplicare la conduttività."

Analizzare la nanostruttura

Una sfida primaria nell'uso dei polimeri a blocchi consiste nel controllare e analizzare la posizione e la distribuzione spaziale dei vari componenti su scala nanometrica e atomica in questi materiali autoassemblanti. Eventuali metodi utilizzati per valutare i materiali devono essere in grado di "vedere" la struttura su scala nanometrica senza causare danni che confondono o confondono in altro modo l'analisi.

In collaborazione con i ricercatori del MIT, dove ha trascorso l'anno accademico 2012-13 in anno sabbatico come Martin Luther King, Jr. Visiting Professor di Chimica, Epps ha aiutato ad applicare una nuova tecnica, C ₆₀ ⁺ spettroscopia fotoelettronica a raggi X con profilo di profondità (XPS), ai polimeri nanostrutturati che facilitano l'analisi delle informazioni sia chimiche che atomiche in un materiale in funzione della profondità.

XPS è una tecnica spettroscopica quantitativa sensibile alla superficie che misura la composizione elementare in alta risoluzione. Epps e i suoi colleghi del MIT hanno impiegato XPS in cui molecole a forma di pallone da calcio chiamate "buckyballs" sono state utilizzate per incidere attraverso il film polimerico, permette di sondare la composizione chimica in funzione della profondità.

"Ora che abbiamo un modo per caratterizzare in modo più completo ciò che sta accadendo su scala nanometrica nei polimeri a blocchi affusolati, possiamo progettarli con le proprietà precise necessarie per applicazioni specifiche, "dice Epp.

"Sebbene abbiamo applicato con successo la tecnica per valutare i materiali per le applicazioni delle batterie, crediamo che le capacità uniche di C ₆₀ ⁺ L'XPS per la profilatura della profondità lo rende uno strumento potente per l'analisi di film sottili di polimeri nanostrutturati in applicazioni che vanno dallo stoccaggio e generazione di energia ai rivestimenti superficiali e ai modelli su scala nanometrica".

Sulla ricerca

Il sistema di materiali studiato da Epps e dal suo team comprendeva polistirene meccanicamente rigido (PS) e poli(oligo-ossietilene metacrilato) a conduzione ionica (POEM). Il lavoro è documentato in un documento, "Conducibilità ionica controllata tramite elettroliti polimerici a blocchi conici, " pubblicato su RSC Advances nel 2015. Il documento è stato scritto da Wei-Fan Kuan, Roddel Remy, e Michael Mackay nel Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biomolecolare e Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali dell'UD.

Il lavoro di caratterizzazione è dettagliato in un documento, "Determinazione delle distribuzioni di ioni di litio in film sottili di elettroliti polimerici a blocchi nanostrutturati mediante spettroscopia fotoelettronica a raggi X Profili di profondità, " pubblicato in ACS Nano nel 2015. Il documento è stato coautore di Jonathan Gilbert, Michael Rubner e Robert Cohen al MIT e Ming Luo nel Dipartimento di ingegneria chimica e biomolecolare dell'UD.