С начала 1970-х литий был самым популярным элементом в батареях: он легче всех металлов и обладает крупнейшим электрохимическим потенциалом. Литий-ионные источники питания весьма популярны: ими оснащают даже джойстики для игровых приставок.
И все же есть у батареи на основе лития серьезный недостаток: она весьма огнеопасна, и если перегреется, то вполне может загореться. Долгие годы ученые искали, чем бы заменить пожароопасную батарею, чтобы новая обладала теми же преимуществами, что и литиевая. И хотя очевидной альтернативой могут показаться пластики, ученые до конца не знают, что произойдет с материалом после пропуска ионного заряда.
И вот теперь ученые из школы инжиниринга Маккормика Северозападного университета объединили две традиционные теории в материаловедении, которые способны объяснить, как заряд определяет структуру материала. Это открывает двери для множества применений, включая новый класс батарей.
«Есть большая потребность избавиться от лития в огнеопасном растворе, — сообщила Моника Олвера-де ла Круз, старший автор исследования. — Ведется поиск не взрывающихся альтернатив, таких как пластики. Однако оставалось неясным, что будет с пластиками после проведения заряда».
Ученые исследовали пластики, известные как блок-сополимеры, которые представляют собой два типа склеенных полимеров. Они являются ведущим материалом для использования в качестве ионных проводников, поскольку самостоятельно собираются в наноструктуры, одновременно проводящие ионы и сохраняющие структурную целостность. Блок-сополимеры имеют наноканалы, через которые могут пройти ионы, однако формой этих каналов управляют сами заряды. Чтобы использовать материал в батареях, ученым необходимо найти способ управлять формой наноканалов так, чтобы заряд хорошо проходил по ним.
«Если удастся оптимизировать способность заряда перемещаться через систему, то удастся усовершенствовать и исходящее электропитание батареи», — отметил постдок Чарльз Синг, первый автор исследования.
Проблема заключается в структуре материала. Блок-сополимеры — длинные цепи молекул. Когда они растягиваются, то простираются на большие расстояния, чем типичный размер ионных зарядов. Однако заряды оказывают мощный эффект на наноканалы, и это несмотря на то, что они намного меньше. Чтобы понять динамику блок-сополимеров, требуются разные теории для различных линейных масштабов.
Синг и профессор Джос Жваниккен объединили две традиционные теории: последовательную полевую теорию и теорию жидкого состояния. Последовательная полевая описывает, как ведут себя длинные молекулы.
«С другой стороны, теория жидкого состояния описывает, как заряды действуют на атомном уровне», — добавил Жваниккен.
Хотя обе теории изучались десятилетиями, ранее никто не объединял их. В объединении они обеспечивают новый метод анализа систем наноканалов. Электрический заряд, известный как ион, связан с обратно заряженной молекулой, известной как противоион, который также присутствует в наноканале. Вместе ионы и противоионы притягиваются друг к другу и формируют соль. Соли скапливаются в небольшие кристаллы, которые воздействуют на наноканалы, меняя их структуру.
Олвера-де ла Круз и ее группа установили, что два этих эффекта уравновешивают друг друга: соли формируют кристаллики, которые деформируют наноканалы. С учетом новых сведений становится возможным прогнозировать и даже проектировать систему, через которую проходят ионы, благодаря чему можно усилить мощность и отдачу батарей.
Ученые надеются, что их открытие будет направлять экспериментаторов в процессе испытания материалов. Это даст исследователям больше информации о физических концепциях, лежащих в основе блок-сополимерных систем.
«Мы обеспечили инструменты для понимания этих систем за счет включения эффектов ионного масштаба в мезомасштабную морфологию полимеров», — заключила Олвера-де ла Круз.
