Desde principios de la década de 1970, El litio ha sido el elemento más popular para las baterías:es el más ligero de todos los metales y tiene el mayor potencial electroquímico.

Pero una batería de litio tiene una gran desventaja:es altamente inflamable, y cuando se sobrecalienta, puede estallar en llamas. Durante años, Los científicos han buscado materiales de batería más seguros que sigan teniendo las mismas ventajas que el litio. Si bien los plásticos (o polímeros) parecían una opción obvia, los investigadores nunca entendieron completamente cómo cambiaría el material cuando se introdujera una carga de iones.

Ahora, un equipo de la Northwestern University ha casado dos teorías tradicionales en la ciencia de los materiales que pueden explicar cómo la carga dicta la estructura del material. Esto abre la puerta a muchas aplicaciones, incluyendo una nueva clase de baterías.

"Hay un gran esfuerzo para ir más allá del litio en un solvente inflamable, "dice Monica Olvera de la Cruz, Abogado Taylor Profesor de Ciencia e Ingeniería de Materiales en Northwestern y autor principal del artículo. "La gente ha estado buscando alternativas que no sean explosivas, como los plásticos. Pero no sabían cómo calcular lo que sucede cuando pones un cargo ".

Su papel titulado "Control electrostático de la morfología de los copolímeros de bloque, "se publicó en la edición del 8 de junio de Materiales de la naturaleza .

El equipo analizó los plásticos conocidos como copolímeros de bloque (BCP) que son dos tipos de polímeros pegados. Son un material líder para su uso como conductores de iones porque se autoensamblan en nanoestructuras que permiten el transporte de carga de iones y mantienen la integridad estructural. Los BCP tienen de forma innata nanocanales a través de los cuales puede viajar el ión, pero las cargas mismas manipulan la forma de los canales. Para utilizar el material en pilas, los investigadores deben encontrar una forma de controlar la forma de los nanocanales, para que la carga se mueva bien.

"Si puede optimizar la capacidad de la carga para moverse a través del sistema, entonces puede optimizar la energía que realmente sale de la batería, "dice Charles Sing, becario postdoctoral en el laboratorio de Olvera de la Cruz y primer autor del artículo.

El problema radica en la estructura del material. Los BCP son cadenas de moléculas muy largas. Cuando están estirados, se extienden a distancias mucho mayores que el tamaño típico de las cargas de iones. Sin embargo, las cargas aún tienen un fuerte efecto en los nanocanales a pesar de ser mucho más pequeñas. Para comprender adecuadamente la dinámica de los BCP, Se necesitan diferentes teorías para las diferentes escalas de longitud.

Para comprender cómo la carga de iones cambia la estructura de los nanocanales de los BCP, Sing y Jos Zwanikken, un profesor asistente de investigación en el mismo laboratorio, combinó dos teorías tradicionales:la teoría del campo autoconsistente y la teoría del estado líquido. La teoría del campo autoconsistente describe cuánto tiempo se comportan las moléculas.

"Teoría del estado líquido, por otra parte, describe cómo operan los cargos en situaciones muy locales, niveles atómicos, "Dice Zwanikken.

Si bien se han estudiado estas dos teorías, en profundidad por décadas, nadie los ha reunido previamente. Cuando se combina, proporcionan una nueva forma de ver los sistemas de nanocanales. La carga eléctrica, conocido como un ion, está asociado con una molécula de carga opuesta, conocido como contraión, que también está presente en el nanocanal. Juntos, estos iones y contraiones se atraen mucho entre sí y forman una sal. Estas sales se agrupan en cristales en miniatura, que ejercen una fuerza sobre los nanocanales, cambiando su estructura.

Olvera de la Cruz y su grupo descubrieron que estos dos efectos se equilibran entre sí:las sales quieren formar minicristales, lo que obliga al nanocanal a deformarse. Esta comprensión hace posible predecir e incluso diseñar un "sistema de carreteras" a través del cual se transportan los iones, maximizando la potencia de la batería.

El equipo espera que su hallazgo sirva de guía a los experimentadores mientras prueban los materiales. Brindará a los investigadores más información sobre los conceptos físicos subyacentes a los sistemas BCP.

Olvera de la Cruz dice, "Hemos proporcionado las herramientas para comprender estos sistemas al incluir efectos de escala de longitud iónica en la morfología de mesoescala del polímero".