锂一直是电池中最受欢迎的元素它是所有金属中最轻的

自20世纪70年代早期以来,锂一直是电池中最受欢迎的元素:它是所有金属中最轻的,具有最大的电化学潜力。

但锂电池有一个主要的缺点:它是高度易燃的,当它过热时,它会爆炸起火。多年来,科学家一直在寻找更安全的电池材料,这些材料仍然具有与锂相同的优势。虽然塑料(或聚合物)似乎是一个明显的选择,但研究人员从未完全理解当引入离子电荷时材料会如何变化。

现在麦考密克团队已经结合了两种传统的材料科学理论,这些理论可以解释电荷如何决定材料的结构。这为许多应用打开了大门,包括一类新电池。

“在易燃溶剂中超越锂需要付出巨大的努力,”律师泰勒材料科学与工程教授,该论文的高级作者Monica Olvera de la Cruz说。“人们一直在寻找不具有爆炸性的替代品,比如塑料。但他们不知道如何计算当你收费时会发生什么。”

该团队研究了称为嵌段共聚物(BCPs)的塑料,这两种聚合物粘在一起。它们是用作离子导体的主要材料,因为它们自组装成纳米结构,既能够实现离子电荷传输又能保持结构完整性。BCP天生具有纳米通道,离子可以通过纳米通道行进,但是电荷本身操纵通道的形状。为了在电池中使用这些材料,研究人员必须找到一种方法来控制纳米通道的形状,使电荷运行良好。

“如果你可以优化充电通过系统的能力,那么你就可以优化电池实际产生的功率,”奥尔维拉德拉克鲁兹实验室的博士后研究员,该论文的第一作者Charles Sing说。 。

问题在于材料的结构。BCP是非常长的分子链。当它们伸展时,它们延伸的距离远远大于离子电荷的典型尺寸。然而,尽管电荷量小得多,但仍然对纳米通道产生强烈影响。为了正确理解BCP的动态,不同长度尺度需要不同的理论。

为了解离子电荷如何改变BCPs纳米通道的结构,同一实验室的研究助理教授Sing和Jos Zwanikken结合了两个传统理论:自洽场理论和液态理论。自洽场理论描述了分子的行为长度。

“另一方面,液态理论描述了电荷如何在非常局部的原子水平上运行,”Zwanikken说。

虽然这两种理论已经深入研究了几十年,但是之前没有人将它们放在一起。结合起来,它们提供了一种观察纳米通道系统的新方法。被称为离子的电荷与带相反电荷的分子相关联,称为反离子,其也存在于纳米通道中。这些离子和反离子一起彼此高度吸引并形成盐。这些盐聚集成微型晶体,在纳米通道上施加力,改变它们的结构。

Olvera de la Cruz和她的团队发现这两种效应相互平衡 - 盐想要形成微型晶体,这迫使纳米通道变形。这种理解使得可以预测甚至设计通过其传输离子的“公路系统”,从而最大化电池的功率。

该团队希望他们的发现能够指导实验者测试材料。它将为研究人员提供有关BCP系统基础物理概念的更多信息。

Olvera de la Cruz说:“我们通过将离子长度尺度效应纳入聚合物中尺度形态,提供了理解这些系统的工具。”

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