Thomas H. Epps, III, (à droite) travaille avec les étudiants diplômés Ming Luo (à gauche) et Wei-Fan Kuan. Crédit :Kathy F. Atkinson
La plupart d'entre nous ont vu des photographies spectaculaires d'ordinateurs portables et même de voitures qui ont pris feu en raison de défaillances des batteries lithium-ion. A plus grande échelle, des incendies de batterie ont immobilisé les jets 787 Dreamliner de Boeing pendant plusieurs mois en 2013, tandis que la société a mis en œuvre de nouvelles fonctionnalités pour réduire le risque de surchauffe et de combustion.
Le coupable de bon nombre de ces incendies spontanés est la formation de masses cristallines ramifiées appelées dendrites qui se forment lorsque les batteries au lithium subissent des cycles de charge-décharge répétés. Finalement, les cristaux "pont" la cathode et l'anode, court-circuiter la batterie et faciliter la génération d'étincelles pouvant enflammer l'électrolyte liquide inflammable pris en sandwich entre les électrodes.
Pour résoudre ce problème, une équipe de recherche de l'Université du Delaware dirigée par Thomas H. Epps, III, le professeur agrégé Thomas et Kipp Gutshall de génie chimique, conçoit de nouveaux électrolytes solides en utilisant des polymères séquencés coniques pour remplacer les électrolytes liquides. En collaboration avec des chercheurs du MIT, Epps a également contribué à adapter une technique d'analyse de surface pour caractériser ces polymères nanostructurés.
Ingénierie du matériau
Dans les années récentes, les polymères séquencés ont reçu une attention considérable en tant que matériaux de membranes conductrices et de transport rechargeables viables en raison de leur combinaison unique de propriétés thermiques, stabilité mécanique et électrochimique.
Epps compare les polymères blocs aux trains et aux voitures de train à l'échelle nanométrique. Tout comme un train peut être composé de plusieurs voitures, certaines, comme les pétroliers, transportant des fluides et autres, comme des lits à plat, portant une cargaison solide - le polymère séquencé contient divers segments polymères reliés entre eux en blocs avec des caractéristiques différentes.
Les polymères séquencés utilisés dans les membranes de batterie consistent généralement en un bloc de type liquide complexé avec un sel métallique pour former des voies conductrices d'ions ainsi qu'un bloc rigide pour résister à la formation de dendrites et conférer une stabilité thermique et mécanique.
Epps et son équipe ont poussé le concept de polymères séquencés un peu plus loin en diminuant l'interface, ou la région de transition entre les blocs, de sorte que les propriétés des différents blocs polymères soient entremêlées.
Une équipe de recherche de l'Université du Delaware conçoit de nouvelles membranes de batterie à l'aide de polymères séquencés coniques. Crédit :Kathy F. Atkinson
Améliorer la conductivité en contrôlant le comportement thermique
Une propriété critique pour les polymères conducteurs d'ions est la température de transition vitreuse, ou la température au-dessus de laquelle un polymère amorphe prend un caractère plus liquide et en dessous de laquelle il est "vitreux" ou solide.
Epps et son équipe ont démontré que la constitution de la région conique entre les blocs polymères a un impact significatif sur cette température dans les électrolytes polymères, affectant ainsi la conductivité ionique.
« abaisser la température de transition vitreuse de seulement sept degrés peut augmenter la conductivité des électrolytes à base de polymère d'environ 150 %, " dit-il. " Et si nous l'abaissons encore de trois degrés, nous pouvons tripler la conductivité."
Analyser la nanostructure
Un défi principal dans l'utilisation de polymères séquencés réside dans le contrôle et l'analyse de l'emplacement et de la distribution spatiale des divers composants à l'échelle nanométrique et atomique dans ces matériaux auto-assemblants. Toutes les méthodes utilisées pour évaluer les matériaux doivent être capables de « voir » la structure à l'échelle nanométrique sans causer de dommages qui perturbent ou confondent l'analyse.
En collaboration avec des chercheurs du MIT, où il a passé l'année scolaire 2012-13 en congé sabbatique en tant que Martin Luther King, Jr. Professeur invité de chimie, Epps a aidé à appliquer une nouvelle technique, C
XPS est une technique spectroscopique quantitative sensible à la surface qui mesure la composition élémentaire en haute résolution. Epps et ses collègues du MIT ont utilisé XPS dans lequel des molécules en forme de ballon de football appelées "buckyballs" ont été utilisées pour graver à travers le film polymère, permettant de sonder la composition chimique en fonction de la profondeur.
« Maintenant que nous avons un moyen de mieux caractériser ce qui se passe à l'échelle nanométrique dans les polymères à blocs coniques, nous pouvons les concevoir avec les propriétés précises nécessaires pour des applications spécifiques, " dit Epps.
"Bien que nous ayons appliqué avec succès la technique pour évaluer les matériaux pour les applications de batterie, nous pensons que les capacités uniques de C
A propos de la recherche
Le système de matériaux étudié par Epps et son équipe comprenait du polystyrène mécaniquement rigide (PS) et du poly(méthacrylate d'oligo-oxyéthylène) conducteur d'ions (POEM). Le travail est documenté dans un document, "Contrôle de la conductivité ionique via des électrolytes polymères à blocs coniques, " publié dans RSC Advances en 2015. L'article a été co-écrit par Wei-Fan Kuan, Roddel Rémy, et Michael Mackay du Département de génie chimique et biomoléculaire et du Département de science et génie des matériaux de l'UD.
Le travail de caractérisation est détaillé dans un article, "Détermination des distributions lithium-ion dans des couches minces d'électrolyte polymère bloc nanostructuré par profilage de profondeur de spectroscopie photoélectronique aux rayons X, " Publié dans ACS Nano en 2015. L'article a été co-écrit par Jonathan Gilbert, Michael Rubner et Robert Cohen au MIT et Ming Luo au département de génie chimique et biomoléculaire de l'UD.
