Imaginez un monde où les téléphones portables et les ordinateurs portables peuvent être rechargés en quelques minutes au lieu d'heures, enroulé et rangé dans votre poche, ou tombé sans subir aucun dommage. C'est possible, selon le professeur Thomas H. Epps de l'Université du Delaware, III, mais les matériaux ne sont pas encore là.

Donc, qu'est-ce qui freine la technologie ?

Pour commencer, il faudrait plus de conducteur, batteries souples et plus légères, dit Epps, qui est le professeur Thomas et Kipp Gutshall de génie chimique et biomoléculaire et professeur au département de science et génie des matériaux de l'UD.

Les batteries devraient être plus résistantes aux chocs et plus sûres, trop. En mai, une cigarette électronique a explosé en Floride et a tué un homme. Les preuves suggèrent que ce malheureux accident peut être dû à des problèmes liés à la batterie, selon la Food and Drug Administration des États-Unis. Des problèmes similaires ont affecté des appareils comme le Samsung Galaxy Note 7 et les unités de puissance auxiliaires du Boeing Dreamliner.

"Tous ces défis sont venus de batteries qui ont des problèmes de sécurité et de stabilité lorsque l'objectif est de pousser les performances, " dit Epps, un expert dans la conception et la fabrication de membranes conductrices utiles dans les dispositifs de production et de stockage d'énergie.

Une façon de surmonter ce défi dans les batteries lithium-ion pour les appareils ci-dessus est d'améliorer les membranes de la batterie - et les électrolytes associés - qui sont conçues pour transporter les ions lithium, qui compensent la charge électrique associée à la charge et à la décharge de la batterie.

Chez UD, L'équipe d'Epps a breveté une idée pour améliorer les performances de la batterie en introduisant des cônes dans les électrolytes de la membrane polymère qui permettent aux ions lithium à l'intérieur de la batterie de se déplacer plus rapidement.

C'est une grande idée qui commence par de petites pièces.

Petite science, gros impact

Tout commence avec les polymères, qui sont des matériaux faits de petites molécules enfilées comme des perles sur un collier pour créer une longue chaîne. En reliant chimiquement deux ou plusieurs chaînes polymères aux propriétés différentes, les ingénieurs peuvent créer des polymères séquencés qui capitalisent sur les caractéristiques principales des deux matériaux. Par exemple, le polystyrène dans une tasse en polystyrène est relativement dur et cassant, tandis que le polyisoprène (tiré d'un arbre à caoutchouc) est visqueux et semblable à de la mélasse. Lorsque ces deux polymères sont liés chimiquement, les ingénieurs peuvent créer des matériaux pour des articles de tous les jours comme des pneus de voiture et des élastiques, des matériaux qui conservent leur forme mais qui sont résistants aux chocs et extensibles.

Epps a été initié aux polymères séquencés en tant qu'étudiant de premier cycle au Massachusetts Institute of Technology alors qu'il travaillait dans le laboratoire du professeur Paula Hammond, et encore lorsqu'il a travaillé à la Goodyear Tire &Rubber Company sous Adel Halasa dans le cadre d'une bourse GEM. Goodyear explorait l'utilisation de polymères multi-composants de type conique pour créer des pneus avec plus d'élasticité, pneus qui adhéreraient mieux à la route sans sacrifier les performances ou la durabilité.

Des années plus tard, en poste chez UD, Le groupe d'Epps a poussé l'idée plus loin et s'est rendu compte qu'ils pouvaient régler l'échelle nanométrique (1/1, 000e de la largeur d'un cheveu humain) structure de ces polymères pour imprégner les matériaux de certaines propriétés mécaniques, propriétés thermiques et de conductivité.

L'un des avantages des polymères séquencés est qu'ils permettent aux scientifiques de combiner deux ou plusieurs composants qui sont souvent chimiquement incompatibles, ce qui signifie qu'ils ne se mélangent pas (pensez à l'huile et à l'eau). Ce même avantage, cependant, peut présenter des défis quant à la façon dont les matériaux peuvent être traités. Le groupe Epps a déterminé que la réduction de la région où les deux chaînes polymères distinctes se connectent peut favoriser le mélange entre des matériaux hautement incompatibles d'une manière qui rend le traitement et la fabrication plus rapides et moins chers en nécessitant soit moins d'énergie, soit moins de solvant dans le processus de fabrication.

La manipulation du cône a également permis aux chercheurs de contrôler les structures nanométriques pouvant être formées par les polymères séquencés. En incorporant les cônes, L'équipe d'Epps peut créer des réseaux à l'échelle nanométrique qui rendent les matériaux de la batterie plus conducteurs, en introduisant des autoroutes à l'échelle nanométrique et en éliminant les goulots d'étranglement du trafic, permettant aux ions de se déplacer à des vitesses plus élevées et rendant le polymère plus efficace dans les applications de batterie.

"Techniquement, nous voulons conduire les ions plus rapidement… cette approche dans les polymères nous permettrait de tirer plus de puissance des batteries. Cela permettrait aux batteries de se charger plus rapidement, d'une manière qui est également plus sûre. Nous ne sommes pas encore là, mais c'est le but, " dit Epps, qui a breveté le concept par l'intermédiaire du Bureau de l'innovation économique et des partenariats d'UD.

Il appelle ce travail une « approche de conception » de la science des polymères.

Priyanka Ketkar, un doctorant en génie chimique et biomoléculaire, veut faire une différence dans le monde grâce à la recherche. Ketkar a décrit le groupe de recherche Epps comme un bon ajustement, où elle exerce son muscle mental sur des problèmes consécutifs liés au stockage d'énergie.

Dans des expériences de laboratoire, Ketkar et d'autres du groupe Epps ont montré que l'introduction d'une région conique entre les chaînes d'électrolyte polymère augmentait en fait la conductivité ionique globale sur une plage de températures. À température ambiante, par exemple, les matériaux coniques sont deux fois plus conducteurs que leurs homologues non coniques. Mais ce n'est pas tout. La conicité améliore la capacité du matériau à être traité, trop.

"Les méthodes précédentes pour augmenter la conductivité ont soit rendu le polymère plus difficile à traiter, soit utilisé de plus grandes quantités de solvant chimique, ce qui rend le matériau plus inflammable et moins respectueux de l'environnement, " a déclaré Ketkar. "C'est pourquoi je suis vraiment enthousiasmé par cette nouvelle approche."

Les polymères de conception sont utiles pour les batteries lithium-ion, mais également applicable à d'autres systèmes rechargeables, comme les batteries sodium-ion et potassium-ion, dit Epps. D'autres applications incluent l'utilisation de polymères coniques pour fabriquer des matériaux pouvant être produits à des températures plus basses ou avec moins de solvant pour des applications telles que les pneus, élastiques et adhésifs.

Les futures applications incluent les batteries flexibles

Alors que la technologie avance en flèche, Epps s'attend à ce que les cinq à 10 prochaines années inaugurent une pléthore d'appareils qui peuvent fléchir et rouler, comme les téléphones portables et les ordinateurs.

« La seule façon dont cela fonctionne est si tous les composants sont flexibles, y compris la batterie et les unités d'alimentation, pas seulement le cas, écran ou boutons, " a déclaré Epps. "C'est dans cet aspect que les polymères séquencés deviennent vraiment idéaux parce que, comme un élastique qui se souvient de sa forme malgré l'étirement, pliage et autres manipulations—avec des polymères, vous pouvez rendre les composants internes plus résistants aux chocs et absorbant les chocs, ce qui améliorera la durée de vie du téléphone."

Il peut y avoir d'autres applications pour les polymères de conception, trop.

"Et s'il y avait un capteur à l'intérieur du ballon conçu pour alerter les officiels lorsqu'un joueur franchit une distance spécifique, dire pour un premier down, " a déclaré Epps. " Vous n'auriez pas besoin de vous fier à la vue d'un officiel sur le terrain ou à une relecture instantanée. "

Mais, les ballons de football sont jetés et les joueurs qui les tiennent sont souvent touchés.

"Vous auriez besoin de quelque chose qui ne cassera pas ou ne fuira pas, donc en utilisant un polymère qui a les propriétés matérielles de, par exemple, Un élastique, qui peut également conduire des ions comme une batterie serait une solution parfaite, " a déclaré Epps. " Cette avenue est une direction dans laquelle vous pouvez imaginer ces matériaux s'épanouir. "

Epps a récemment été nommé membre de la Royal Society of Chemistry, basé au Royaume-Uni. Pour recevoir cet honneur, les scientifiques doivent avoir eu un impact dans les sciences chimiques.