Las pilas de combustible y las baterías proporcionan electricidad mediante la generación y transmisión de iones cargados positivamente de un terminal positivo a uno negativo, lo que libera electrones cargados negativamente para alimentar teléfonos móviles. carros, satélites o cualquier otra cosa a la que estén conectados. Una parte crítica de estos dispositivos es la barrera entre estos terminales, que deben estar separados para que fluya la electricidad.

Mejoras a esa barrera, conocido como electrolito, son necesarios para hacer que los dispositivos de almacenamiento de energía sean más delgados, más eficiente, más seguro y más rápido de recargar. Los electrolitos líquidos de uso común son voluminosos y propensos a cortocircuitos, y pueden presentar un riesgo de incendio o explosión si se perforan.

La investigación dirigida por ingenieros de la Universidad de Pensilvania sugiere un camino diferente a seguir:un tipo nuevo y versátil de electrolito de polímero sólido (SPE) que tiene el doble de conductividad de protones que el material de última generación actual. Tales SPE se encuentran actualmente en las celdas de combustible de membrana de intercambio de protones, pero el nuevo diseño de los investigadores también podría adaptarse para funcionar con las baterías de iones de litio o de sodio que se encuentran en la electrónica de consumo.

El estudio, publicado en Materiales de la naturaleza , fue dirigido por Karen I. Winey, Miembro de la facultad de la Fundación TowerBrook, profesor y presidente del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, y Edward B. Trigg, luego estudiante de doctorado en su laboratorio. Demi E. Moed, un miembro de pregrado del laboratorio Winey, fue coautor.

Colaboraron con Kenneth B. Wagener, George B. Butler, profesor de química de polímeros en la Universidad de Florida, Gainesville, y Taylor W. Gaines, un estudiante de posgrado en su grupo. Mark J. Stevens, de Sandia National Laboratories, también contribuyó a este estudio, así como Manuel Maréchal y Patrice Rannou, del Centro Nacional Francés de Investigaciones Científicas, la Comisión Francesa de Energías Alternativas y Energía Atómica, y la Université Grenoble Alpes.

Ya existe una variedad de SPE. Nafion, que se utiliza ampliamente en las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones, es una lámina de plástico flexible que es permeable a los protones e impermeable a los electrones. Después de absorber agua, los protones pueden fluir a través de canales microscópicos que atraviesan la película.

Una delgada, SPE como Nafion es especialmente atractivo para pilas de combustible en aplicaciones aeroespaciales, donde cada kilogramo cuenta. Gran parte de la mayor parte de las baterías portátiles proviene de un blindaje diseñado para proteger los electrolitos líquidos de los pinchazos. Los sistemas que utilizan electrolitos líquidos deben separar los electrodos más lejos que sus homólogos de electrolitos sólidos, ya que la acumulación de metal en los electrodos puede eventualmente cruzar el canal y provocar un cortocircuito.

Nafion aborda esos problemas, pero aún queda mucho por mejorar.

"Nafion es una especie de casualidad, ", Dice Winey." Su estructura ha sido objeto de debate durante décadas, y probablemente nunca será entendido o controlado por completo ".

Nafion es difícil de estudiar porque su estructura es aleatoria y desordenada. Este polímero fluorado ocasionalmente se ramifica en cadenas laterales que terminan con grupos de ácido sulfónico. Son estos ácidos sulfónicos los que atraen agua y forman los canales que permiten el transporte de protones de un lado de la película al otro. Pero debido a que estas cadenas laterales ocurren en posiciones aleatorias y son de diferentes longitudes, los canales resultantes a través del polímero desordenado son un laberinto sinuoso que transporta iones.

Con miras a atravesar este laberinto, El grupo de Winey colaboró ​​recientemente con Stevens para descubrir una nueva estructura transportadora de protones que tiene capas ordenadas. Estas capas presentan muchos canales paralelos revestidos de ácido a través de los cuales los protones pueden fluir rápidamente.

"Es como autopistas frente a las carreteras rurales de la Provenza, "Winey dice.

Esta nueva estructura es el resultado de una ruta de síntesis química especial desarrollada por el grupo de Wagener en la Universidad de Florida. Esta ruta coloca uniformemente los grupos ácidos a lo largo de una cadena de polímero de modo que el espacio entre los grupos funcionales sea lo suficientemente largo para cristalizar. El análisis estructural más detallado hasta la fecha fue sobre un polímero con exactamente 21 átomos de carbono entre los grupos de ácido carboxílico, el polímero que inició la colaboración Penn-Florida hace una década.

Mientras el grupo de Winey y Stevens estaban trabajando en la estructura y notando su potencial para transportar iones, El grupo de Wagener estaba trabajando para incorporar grupos de ácido sulfónico para demostrar la diversidad de grupos químicos que podrían unirse a los polietilenos. Ambos equipos se dieron cuenta de que la conductividad de los protones requeriría el ácido más fuerte.

"Colocar con precisión los grupos de ácido sulfónico a lo largo del polietileno resultó ser nuestro mayor desafío sintético, "Dice Wagener." El éxito finalmente ocurrió en manos de Taylor Gaines, quienes idearon un esquema que llamamos "desprotección heterogénea a homogénea" del éster del grupo del ácido sulfónico. Fue este proceso sintético el que finalmente condujo a la formación de polímeros de ácido sulfónico de precisión ".

Los detalles de este proceso también se publicaron recientemente en la revista Macromolecular Chemistry and Physics.

Con las cadenas formando una serie de formas de horquilla con un grupo de ácido sulfónico en cada giro, el polímero se ensambla en capas ordenadas, formando canales rectos en lugar del tortuoso laberinto que se encuentra en Nafion.

Existen, literalmente, Aún quedan algunos problemas por resolver. El siguiente paso del grupo es orientar estas capas en la misma dirección a lo largo de la película.

"Ya somos más rápidos que Nafion por un factor de dos, pero podríamos ser aún más rápidos si alineáramos todas esas capas directamente a través de la membrana de electrolito, "Winey dice.

Más que mejorar las pilas de combustible donde se emplea actualmente Nafion, las capas inducidas por la cristalización descritas en el estudio de los investigadores podrían extenderse para trabajar con grupos funcionales compatibles con otros tipos de iones.

"Una mejor conducción de protones es definitivamente valiosa, pero creo que la versatilidad de nuestro enfoque es lo más importante en última instancia, "Winey dice." Todavía no hay un electrolito sólido suficientemente bueno para el litio o para el hidróxido, otro ion de pila de combustible común, y todos los que intentan diseñar nuevas SPE utilizan un enfoque muy diferente al nuestro ".

Las baterías de teléfonos móviles fabricadas con este tipo de SPE podrían ser más delgadas y seguras, con los canales iónicos de estilo superautopista habilitados por el diseño de los investigadores, recarga mucho más rápido.

"La síntesis de precisión ha sido uno de los grandes desafíos en la ciencia de los polímeros, y este notable trabajo demuestra cómo puede abrir puertas a materiales novedosos de gran promesa, "dice Linda Sapochak, director de la División de Investigación de Materiales de la National Science Foundation. "NSF está emocionado de ver que su apoyo en ambas universidades para esta colaboración integradora ha llevado a un avance sinérgico".