As células de combustível e baterias fornecem eletricidade gerando e induzindo íons carregados positivamente de um terminal positivo para um negativo, o que libera elétrons carregados negativamente para alimentar telefones celulares, carros, satélites, ou qualquer outra coisa a que eles estejam conectados. Uma parte crítica desses dispositivos é a barreira entre esses terminais, que devem ser separados para que a eletricidade flua.

Melhorias nessa barreira, conhecido como eletrólito, são necessários para tornar os dispositivos de armazenamento de energia mais finos, mais eficiente, mais seguro, e mais rápido para recarregar. Eletrólitos líquidos comumente usados ​​são volumosos e sujeitos a curtos-circuitos, e podem apresentar risco de incêndio ou explosão se forem perfurados.

A pesquisa liderada por engenheiros da Universidade da Pensilvânia sugere um caminho diferente a seguir:um tipo novo e versátil de eletrólito de polímero sólido (SPE) que tem o dobro da condutividade de prótons do material atual de última geração. Esses SPEs são encontrados atualmente em células de combustível de membrana de troca de prótons, mas o novo design dos pesquisadores também poderia ser adaptado para funcionar com as baterias de íon de lítio ou íon de sódio encontradas em produtos eletrônicos de consumo.

O estudo, publicado em Materiais da Natureza , foi liderado por Karen I. Winey, Membro do corpo docente da TowerBrook Foundation, professor e catedrático do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, e Edward B. Trigg, em seguida, uma aluna de doutorado em seu laboratório. Demi E. Moed, um membro graduado do Laboratório Winey, foi um co-autor.

Eles colaboraram com Kenneth B. Wagener, George B. Butler Professor de Química de Polímeros na Universidade da Flórida, Gainesville, e Taylor W. Gaines, um estudante de pós-graduação em seu grupo. Mark J. Stevens, dos Laboratórios Nacionais Sandia, também contribuiu para este estudo, bem como Manuel Maréchal e Patrice Rannou, do Centro Nacional Francês de Pesquisa Científica, a Comissão Francesa de Energias Alternativas e Energia Atômica, e a Université Grenoble Alpes.

Já existe uma variedade de SPEs. Nafion, que é amplamente utilizado em células de combustível de membrana de troca de prótons, é uma folha de plástico flexível que é permeável a prótons e impermeável aos elétrons. Depois de absorver água, prótons podem fluir através de canais microscópicos que abrangem o filme.

Uma fina, SPE como o Nafion é especialmente atraente para células de combustível em aplicações aeroespaciais, onde cada quilograma conta. Grande parte das baterias portáteis vem de blindagem projetada para proteger eletrólitos líquidos de perfurações. Os sistemas que usam eletrólitos líquidos devem separar os eletrodos ainda mais separados, em seguida, suas contrapartes de eletrólito sólido, como o acúmulo de metal nos eletrodos pode eventualmente cruzar o canal e causar um curto.

Nafion resolve esses problemas, mas ainda há muito espaço para melhorias.

"Nafion é uma espécie de sorte, "Winey diz." Sua estrutura tem sido objeto de debate por décadas, e provavelmente nunca será totalmente compreendido ou controlado. "

Nafion é difícil de estudar porque sua estrutura é aleatória e desordenada. Este polímero fluorado ocasionalmente se ramifica em cadeias laterais que terminam com grupos de ácido sulfônico. São esses ácidos sulfônicos que atraem a água e formam os canais que permitem o transporte de prótons de um lado do filme para o outro. Mas, como essas cadeias laterais ocorrem em posições aleatórias e são de comprimentos diferentes, os canais resultantes através do polímero desordenado são um labirinto sinuoso que transporta íons.

Com o objetivo de cortar este labirinto, O grupo de Winey colaborou recentemente com Stevens para descobrir uma nova estrutura de transporte de prótons que possui camadas ordenadas. Essas camadas apresentam muitos canais paralelos revestidos de ácido através dos quais os prótons podem fluir rapidamente.

"É como as superestradas versus as estradas rurais da Provença, "Winey diz.

Essa nova estrutura é o resultado de uma rota especial de síntese química desenvolvida pelo grupo de Wagener na Universidade da Flórida. Esta rota coloca uniformemente os grupos de ácido ao longo de uma cadeia de polímero de modo que o espaçamento entre os grupos funcionais seja longo o suficiente para cristalizar. A análise estrutural mais detalhada até o momento foi em um polímero com exatamente 21 átomos de carbono entre grupos de ácido carboxílico, o polímero que iniciou a colaboração Penn-Florida há uma década.

Enquanto o grupo de Winey e Stevens trabalhavam na estrutura e observavam seu potencial para o transporte de íons, O grupo de Wagener estava trabalhando para incorporar grupos de ácido sulfônico para demonstrar a diversidade de grupos químicos que poderiam ser anexados aos polietilenos. Ambas as equipes perceberam que a condutividade do próton exigiria um ácido mais forte.

"Colocar precisamente os grupos de ácido sulfônico ao longo do polietileno provou ser nosso maior desafio sintético, "Wagener diz." O sucesso finalmente aconteceu nas mãos de Taylor Gaines, que desenvolveu um esquema que chamamos de 'desproteção heterogênea para homogênea' do grupo éster do ácido sulfônico. Foi esse processo sintético que finalmente levou à formação dos polímeros de ácido sulfônico de precisão. "

Os detalhes desse processo também foram publicados recentemente na revista Macromolecular Chemistry and Physics.

Com as cadeias formando uma série de formas em grampo com um grupo de ácido sulfônico em cada volta, o polímero se monta em camadas ordenadas, formando canais retos em vez do labirinto tortuoso encontrado em Nafion.

Existem, literalmente, ainda algumas torções para resolver. O próximo passo do grupo é orientar essas camadas na mesma direção ao longo do filme.

"Já somos mais rápidos do que o Nafion por um fator de dois, mas poderíamos ser ainda mais rápidos se alinharmos todas essas camadas diretamente através da membrana eletrolítica, "Winey diz.

Mais do que melhorar as células de combustível onde o Nafion é empregado atualmente, as camadas induzidas por cristalização descritas no estudo dos pesquisadores poderiam ser estendidas para trabalhar com grupos funcionais compatíveis com outros tipos de íons.

"Melhor condução de prótons é definitivamente valiosa, mas acho que a versatilidade da nossa abordagem é o que é, em última análise, o mais importante, "Diz Winey." Ainda não existe um eletrólito sólido suficientemente bom para o lítio ou para o hidróxido, outro íon de célula de combustível comum, e todos que estão tentando projetar novos SPEs estão usando uma abordagem muito diferente da nossa. "

Baterias de celular feitas com este tipo de SPE podem ser mais finas e seguras, com os canais de íons estilo superestrada habilitados pelo projeto dos pesquisadores, recarregue muito mais rápido.

"A síntese de precisão tem sido um dos grandes desafios da ciência dos polímeros, e este trabalho notável demonstra como pode abrir portas para novos materiais de grande promessa, "diz Linda Sapochak, diretor da Divisão de Pesquisa de Materiais da National Science Foundation. "A NSF está animada em ver que seu apoio em ambas as universidades para esta colaboração integrativa levou a um avanço sinérgico."