La mayoría de nosotros hemos visto fotografías dramáticas de computadoras portátiles e incluso automóviles que se incendiaron debido a fallas en las baterías de iones de litio. En una escala mucho mayor, Los incendios de baterías dejaron en tierra los aviones 787 Dreamliner de Boeing durante varios meses en 2013, mientras que la compañía implementó nuevas funciones para reducir el riesgo de sobrecalentamiento y combustión.

El culpable de muchos de estos incendios espontáneos es la formación de masas cristalinas ramificadas llamadas dendritas que se forman cuando las baterías de litio se someten a ciclos repetidos de carga y descarga. Finalmente, los cristales "unen" el cátodo y el ánodo, cortocircuitando la batería y facilitando la generación de chispas que pueden encender el electrolito líquido inflamable intercalado entre los electrodos.

Para abordar este problema, un equipo de investigación de la Universidad de Delaware dirigido por Thomas H. Epps, III, el profesor adjunto de ingeniería química Thomas y Kipp Gutshall, está diseñando nuevos electrolitos sólidos utilizando polímeros de bloque cónicos para reemplazar los electrolitos líquidos. En colaboración con investigadores del MIT, Epps también ha ayudado a adaptar una técnica de análisis de superficies para caracterizar estos polímeros nanoestructurados.

Ingeniería del material

En años recientes, Los polímeros de bloque han recibido una atención considerable como materiales viables de membranas de transporte y conducción recargables debido a su combinación única de materiales térmicos, estabilidad mecánica y electroquímica.

Epps compara los polímeros en bloque con trenes y vagones de tren a nanoescala. Así como un tren puede estar compuesto por varios vagones, algunos, como camiones cisterna, llevar fluidos y otros, como camas planas, que lleva carga sólida:el polímero de bloque contiene varios segmentos de polímero conectados entre sí en bloques con diferentes características.

Los polímeros de bloque utilizados en las membranas de las baterías consisten típicamente en un bloque similar a un líquido complejado con una sal metálica para formar vías conductoras de iones, así como un bloque rígido para resistir la formación de dendrita y conferir estabilidad térmica y mecánica.

Epps y su equipo han llevado el concepto de polímeros en bloque un paso más allá al reducir la interfaz, o la región de transición entre bloques, de modo que se intercalan las propiedades de los diferentes bloques poliméricos.

Mejora de la conductividad controlando el comportamiento térmico.

Una propiedad crítica de los polímeros conductores de iones es la temperatura de transición vítrea, o la temperatura por encima de la cual un polímero amorfo adquiere un carácter más similar a un líquido y por debajo de la cual es "vítreo" o similar a un sólido.

Epps y su equipo han demostrado que la composición de la región cónica entre los bloques de polímero impacta significativamente la temperatura en los electrolitos del polímero. afectando así la conductividad iónica.

"Reducir la temperatura de transición vítrea en solo siete grados puede aumentar la conductividad de los electrolitos a base de polímeros en aproximadamente un 150 por ciento, ", dice." Y si lo bajamos otros tres grados, podemos triplicar la conductividad ".

Analizando la nanoestructura

Un desafío principal en el uso de polímeros de bloque radica en controlar y analizar la ubicación y distribución espacial de los diversos componentes a nanoescala y escala atómica en estos materiales autoensamblables. Cualquier método utilizado para evaluar los materiales debe ser capaz de "ver" la estructura a nanoescala sin causar daños que confundan o confundan de otro modo el análisis.

En colaboración con investigadores del MIT, donde pasó el año académico 2012-13 en un año sabático como Martin Luther King, Jr. Profesor invitado de química, Epps ayudó a aplicar una nueva técnica, C ₆₀ ⁺ espectroscopia de fotoelectrones de rayos X de perfil de profundidad (XPS), a polímeros nanoestructurados que facilitan el análisis de información tanto química como atómica en un material en función de la profundidad.

XPS es una técnica espectroscópica cuantitativa sensible a la superficie que mide la composición elemental en alta resolución. Epps y sus colegas del MIT emplearon XPS en el que se utilizaron moléculas con forma de pelota de fútbol llamadas "buckyballs" para grabar a través de la película de polímero. permitiendo probar la composición química en función de la profundidad.

"Ahora que tenemos una forma de caracterizar de manera más completa lo que está sucediendo a nanoescala en los polímeros de bloques cónicos, podemos diseñarlos con las propiedades precisas necesarias para aplicaciones específicas, "Dice Epps.

"Aunque hemos aplicado con éxito la técnica para evaluar materiales para aplicaciones de baterías, creemos que las capacidades únicas de C ₆₀ ⁺ el perfil de profundidad XPS lo convierte en una herramienta poderosa para el análisis de películas delgadas de polímeros nanoestructurados en aplicaciones que van desde el almacenamiento y la generación de energía hasta recubrimientos de superficies y plantillas a nanoescala ".

Sobre la investigación

El sistema de materiales estudiado por Epps y su equipo comprendía poliestireno rígido mecánicamente (PS) y poli (metacrilato de oligooxietileno) conductor de iones (POEM). El trabajo está documentado en un papel, "Conductividad iónica controlada mediante electrolitos de polímero de bloque cónico, "publicado en RSC Advances en 2015. El artículo fue coautor de Wei-Fan Kuan, Roddel Remy, y Michael Mackay en el Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular de la UD y en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales.

El trabajo de caracterización se detalla en un artículo, "Determinación de las distribuciones de iones de litio en películas delgadas de electrolitos de polímeros de bloques nanoestructurados mediante espectroscopia de fotoelectrones de rayos X Perfiles de profundidad, " publicado en ACS Nano en 2015. El artículo fue coautor de Jonathan Gilbert, Michael Rubner y Robert Cohen en MIT y Ming Luo en el Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular de la UD.