Depuis le début des années 1970, le lithium a été l'élément le plus populaire pour les batteries :c'est le plus léger de tous les métaux et a le plus grand potentiel électrochimique.

Mais une batterie au lithium a un inconvénient majeur :elle est hautement inflammable, et quand il surchauffe, il peut s'enflammer. Pendant des années, les scientifiques ont recherché des matériaux de batterie plus sûrs qui présentent toujours les mêmes avantages que le lithium. Alors que les plastiques (ou polymères) semblaient être un choix évident, les chercheurs n'ont jamais pleinement compris comment le matériau changerait lorsqu'une charge ionique était introduite.

Maintenant, une équipe de la Northwestern University a épousé deux théories traditionnelles de la science des matériaux qui peuvent expliquer comment la charge dicte la structure du matériau. Cela ouvre la porte à de nombreuses applications, y compris une nouvelle classe de batteries.

« Il y a un énorme effort pour aller au-delà du lithium dans un solvant inflammable, " dit Monica Olvera de la Cruz, Avocat Taylor, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à Northwestern et auteur principal de l'article. "Les gens ont cherché des alternatives qui ne sont pas explosives, comme les plastiques. Mais ils ne savaient pas comment calculer ce qui se passe lorsque vous mettez une accusation. »

Leur papier, intitulé "Contrôle électrostatique de la morphologie des copolymères à blocs, " a été publié dans le numéro du 8 juin de Matériaux naturels .

L'équipe s'est penchée sur les plastiques connus sous le nom de copolymères séquencés (BCP), qui sont deux types de polymères collés ensemble. Ils sont un matériau de premier plan pour une utilisation en tant que conducteurs ioniques car ils s'auto-assemblent en nanostructures qui permettent à la fois le transport de charges ioniques et maintiennent l'intégrité structurelle. Les BCP ont naturellement des nano-canaux à travers lesquels l'ion peut voyager, mais les charges elles-mêmes manipulent la forme des canaux. Pour utiliser le matériel dans les batteries, les chercheurs doivent trouver un moyen de contrôler la forme des nano-canaux, pour que la charge se déplace bien.

« Si vous pouvez optimiser la capacité de la charge à se déplacer dans le système, alors vous pouvez optimiser la puissance qui sort réellement de la batterie, " dit Charles Sing, stagiaire postdoctoral dans le laboratoire d'Olvera de la Cruz et premier auteur de l'article.

Le problème réside dans la structure du matériau. Les BCP sont de très longues chaînes de molécules. Quand ils sont allongés, elles s'étendent sur des distances bien supérieures à la taille typique des charges ioniques. Cependant, les charges ont toujours un effet important sur les nano-canaux bien qu'elles soient beaucoup plus petites. Pour bien comprendre la dynamique des PCA, différentes théories sont nécessaires pour les différentes échelles de longueur.

Pour comprendre comment la charge ionique modifie la structure des nano-canaux des BCP, Sing et Jos Zwanikken, un professeur assistant de recherche dans le même laboratoire, a combiné deux théories traditionnelles :la théorie des champs auto-cohérents et la théorie de l'état liquide. La théorie des champs autocohérents décrit la durée de comportement des molécules.

"Théorie de l'état liquide, d'autre part, décrit le fonctionnement des redevances très locales, niveaux atomiques, " dit Zwanikken.

Bien que ces deux théories aient été étudiées, en profondeur, depuis des décennies, personne ne les a déjà assemblés. Lorsqu'ils sont combinés, ils offrent une nouvelle façon de regarder les systèmes de nano-canaux. La charge électrique, connu sous le nom d'ion, est associé à une molécule de charge opposée, connu sous le nom de contre-ion, qui est également présent dans le nano-canal. Ensemble, ces ions et contre-ions sont fortement attirés les uns vers les autres et forment un sel. Ces sels se regroupent en cristaux miniatures, qui exercent une force sur les nano-canaux, changer leur structure.

Olvera de la Cruz et son groupe ont découvert que ces deux effets s'équilibrent :les sels veulent former des mini-cristaux, ce qui force le nano-canal à se déformer. Cette compréhension permet de prévoir et même de concevoir un "système autoroutier" à travers lequel les ions sont transportés, maximiser la puissance de la batterie.

L'équipe espère que leur découverte guidera les expérimentateurs dans leurs tests de matériaux. Il donnera aux chercheurs plus d'informations sur les concepts physiques qui sous-tendent les systèmes BCP.

Olvera de la Cruz dit, "Nous avons fourni les outils pour comprendre ces systèmes en incluant les effets d'échelle de longueur ionique dans la morphologie à mésoéchelle du polymère."