Les piles à combustible et les batteries fournissent de l'électricité en générant et en cajolant des ions chargés positivement d'une borne positive à une borne négative, ce qui libère des électrons chargés négativement pour alimenter les téléphones portables, voitures, satellite, ou quoi d'autre auquel ils sont connectés. Une partie critique de ces appareils est la barrière entre ces terminaux, qui doivent être séparés pour que l'électricité circule.

Des améliorations à cette barrière, connu sous le nom d'électrolyte, sont nécessaires pour rendre les dispositifs de stockage d'énergie plus minces, plus efficace, plus sûr, et plus rapide à recharger. Les électrolytes liquides couramment utilisés sont volumineux et sujets aux courts-circuits, et peuvent présenter un risque d'incendie ou d'explosion s'ils sont percés.

Les recherches menées par les ingénieurs de l'Université de Pennsylvanie suggèrent une voie différente :un nouveau type polyvalent d'électrolyte polymère solide (SPE) qui a une conductivité protonique deux fois supérieure à celle du matériau de pointe actuel. De tels SPE se trouvent actuellement dans les piles à combustible à membrane échangeuse de protons, mais la nouvelle conception des chercheurs pourrait également être adaptée pour fonctionner pour les batteries lithium-ion ou sodium-ion trouvées dans l'électronique grand public.

L'étude, Publié dans Matériaux naturels , était dirigée par Karen I. Winey, Membre du corps professoral de la TowerBrook Foundation, professeur et directeur du Département de science et génie des matériaux, et Edward B. Trigg, puis doctorante dans son laboratoire. Demi E. Moed, membre de premier cycle du laboratoire Winey, était co-auteur.

Ils ont collaboré avec Kenneth B. Wagener, George B. Butler Professeur de chimie des polymères à l'Université de Floride, Gainesville, et Taylor W. Gaines, un étudiant diplômé de son groupe. Mark J. Stevens, des Laboratoires nationaux Sandia, a également contribué à cette étude, ainsi que Manuel Maréchal et Patrice Rannou, du Centre National de la Recherche Scientifique, le Commissariat aux énergies alternatives et à l'énergie atomique, et l'Université Grenoble Alpes.

Une variété de SPE existe déjà. Nafion, qui est largement utilisé dans les piles à combustible à membrane échangeuse de protons, est une feuille de plastique souple perméable aux protons et imperméable aux électrons. Après avoir absorbé de l'eau, les protons peuvent circuler à travers des canaux microscopiques qui s'étendent sur le film.

Un mince, SPE comme Nafion est particulièrement attrayant pour les piles à combustible dans les applications aérospatiales, où chaque kilogramme compte. Une grande partie des batteries portables provient d'un blindage conçu pour protéger les électrolytes liquides des perforations. Les systèmes utilisant des électrolytes liquides doivent séparer les électrodes plus éloignées que leurs homologues à électrolyte solide, car l'accumulation de métal sur les électrodes peut éventuellement traverser le canal et provoquer un court-circuit.

Nafion s'attaque à ces problèmes, mais il y a encore beaucoup de place pour l'amélioration.

"Nafion est un peu un coup de chance, " dit Winey. " Sa structure fait l'objet de débats depuis des décennies, et ne sera probablement jamais entièrement compris ou contrôlé. »

Nafion est difficile à étudier car sa structure est aléatoire et désordonnée. Ce polymère fluoré se ramifie parfois en chaînes latérales qui se terminent par des groupes acide sulfonique. Ce sont ces acides sulfoniques qui attirent l'eau et forment les canaux qui permettent le transport des protons d'un côté du film à l'autre. Mais parce que ces chaînes latérales se produisent à des positions aléatoires et sont de longueurs différentes, les canaux résultants à travers le polymère désordonné sont un labyrinthe sinueux qui transporte des ions.

Avec un oeil vers couper à travers ce labyrinthe, Le groupe de Winey a récemment collaboré avec Stevens pour découvrir une nouvelle structure de transport de protons qui a ordonné des couches. Ces couches comportent de nombreux canaux parallèles doublés d'acide à travers lesquels les protons peuvent s'écouler rapidement.

"C'est comme les autoroutes contre les routes de campagne de Provence, " dit Winey.

Cette nouvelle structure est le résultat d'une voie de synthèse chimique spéciale développée par le groupe de Wagener à l'Université de Floride. Cette voie place uniformément les groupes acides le long d'une chaîne polymère de telle sorte que l'espacement entre les groupes fonctionnels soit suffisamment long pour cristalliser. L'analyse structurelle la plus détaillée à ce jour était sur un polymère avec exactement 21 atomes de carbone entre les groupes acide carboxylique, le polymère qui a initié la collaboration Penn-Floride il y a dix ans.

Pendant que le groupe de Winey et Stevens travaillaient sur la structure et notaient son potentiel de transport d'ions, Le groupe de Wagener travaillait à incorporer des groupes d'acide sulfonique pour démontrer la diversité des groupes chimiques qui pourraient être attachés aux polyéthylènes. Les deux équipes ont réalisé que la conductivité des protons nécessiterait l'acide le plus fort.

"Le placement précis des groupes acide sulfonique le long du polyéthylène s'est avéré être notre plus grand défi synthétique, " dit Wagener. " Le succès est finalement arrivé entre les mains de Taylor Gaines, qui a conçu un schéma que nous appelons «déprotection hétérogène à homogène» de l'ester du groupe acide sulfonique. C'est ce processus de synthèse qui a finalement conduit à la formation des polymères d'acide sulfonique de précision."

Les détails de ce processus ont également été récemment publiés dans la revue Macromolecular Chemistry and Physics.

Avec les chaînes formant une série de formes en épingle à cheveux avec un groupe acide sulfonique à chaque tour, le polymère s'assemble en couches ordonnées, formant des canaux rectilignes au lieu du labyrinthe tortueux trouvé à Nafion.

Il y a, au sens propre, encore quelques défauts à régler. La prochaine étape du groupe est d'orienter ces couches dans la même direction tout au long du film.

« Nous sommes déjà plus rapides que Nafion d'un facteur deux, mais nous pourrions être encore plus rapides si nous alignions toutes ces couches directement sur la membrane électrolytique, " dit Winey.

Plus que d'améliorer les piles à combustible où Nafion est actuellement utilisé, les couches induites par la cristallisation décrites dans l'étude des chercheurs pourraient être étendues pour fonctionner avec des groupes fonctionnels compatibles avec d'autres types d'ions.

"Une meilleure conduction des protons est certainement précieuse, mais je pense que la polyvalence de notre approche est ce qui est finalement le plus important, " dit Winey. " Il n'y a toujours pas d'électrolyte solide suffisamment bon pour le lithium ou pour l'hydroxyde, un autre ion de pile à combustible commun, et tous ceux qui essaient de concevoir de nouvelles SPE utilisent une approche très différente de la nôtre."

Les batteries de téléphones portables fabriquées avec ce type de SPE pourraient être plus fines et plus sûres, avec les canaux ioniques de style autoroute activés par la conception des chercheurs, recharger beaucoup plus rapidement.

"La synthèse de précision a été l'un des grands défis de la science des polymères, et ce travail remarquable démontre comment il peut ouvrir des portes à de nouveaux matériaux de grande promesse, " dit Linda Sapochak, directeur de la Division de la recherche sur les matériaux de la National Science Foundation. « NSF est ravie de voir que son soutien dans les deux universités pour cette collaboration intégrative a conduit à une percée synergique. »