p Desde o início dos anos 1970, O lítio tem sido o elemento mais popular para baterias:é o mais leve de todos os metais e tem o maior potencial eletroquímico. p Mas uma bateria à base de lítio tem uma grande desvantagem:é altamente inflamável, e quando superaquece, pode explodir em chamas. Por anos, os cientistas têm procurado materiais de bateria mais seguros que ainda tenham as mesmas vantagens do lítio. Embora os plásticos (ou polímeros) parecessem uma escolha óbvia, os pesquisadores nunca entenderam completamente como o material mudaria quando uma carga iônica fosse introduzida.

p Agora, uma equipe da Northwestern University uniu duas teorias tradicionais da ciência dos materiais que podem explicar como a carga dita a estrutura do material. Isso abre a porta para muitas aplicações, incluindo uma nova classe de baterias.

p “Há um grande esforço para ir além do lítio em um solvente inflamável, "diz Monica Olvera de la Cruz, Advogado Taylor, Professor de Ciência e Engenharia de Materiais na Northwestern e autor sênior do artigo. "As pessoas têm procurado alternativas que não sejam explosivas, como plásticos. Mas eles não sabiam como calcular o que acontece quando você coloca uma carga. "

p Seu papel, intitulado "Controle eletrostático da morfologia do copolímero em bloco, "foi publicado na edição de 8 de junho da Materiais da Natureza .

p A equipe analisou plásticos conhecidos como copolímeros em bloco (BCPs), que são dois tipos de polímeros unidos. Eles são um material líder para uso como condutores de íons porque se automontam em nanoestruturas que permitem o transporte de carga iônica e mantêm a integridade estrutural. BCPs inatamente têm nanocanais através dos quais o íon pode viajar, mas as próprias cargas manipulam a forma dos canais. Para usar o material em baterias, pesquisadores devem encontrar uma maneira de controlar a forma dos nanocanais, para que a carga se mova bem.

p "Se você puder otimizar a capacidade da carga de se mover pelo sistema, então você pode otimizar a energia que realmente sai da bateria, "diz Charles Sing, um pós-doutorado no laboratório de Olvera de la Cruz e primeiro autor do artigo.

p O problema está na estrutura do material. BCPs são cadeias muito longas de moléculas. Quando eles estão esticados, eles se estendem por distâncias muito maiores do que o tamanho típico das cargas de íons. Contudo, as cargas ainda têm um forte efeito nos nanocanais, apesar de serem muito menores. Para entender adequadamente a dinâmica dos BCPs, diferentes teorias são necessárias para as diferentes escalas de comprimento.

p Para entender como a carga de íons muda a estrutura dos nanocanais dos BCPs, Sing e Jos Zwanikken, um professor assistente de pesquisa no mesmo laboratório, combinou duas teorias tradicionais:a Teoria do Campo Autoconsistente e a Teoria do Estado Líquido. A Teoria de Campos Autoconsistentes descreve por quanto tempo as moléculas se comportam.

p "Teoria do Estado Líquido, por outro lado, descreve como as cobranças funcionam muito localmente, níveis atômicos, "Zwanikken diz.

p Embora essas duas teorias tenham sido estudadas, em profundidade, por décadas, ninguém os montou anteriormente. Quando combinados, eles fornecem uma nova maneira de olhar para os sistemas de nanocanais. A carga elétrica, conhecido como íon, está associado a uma molécula de carga oposta, conhecido como contra-íon, que também está presente no nano-canal. Juntos, esses íons e contra-íons são altamente atraídos uns pelos outros e formam um sal. Esses sais se agrupam em cristais em miniatura, que exercem uma força sobre os nanocanais, mudando sua estrutura.

p Olvera de la Cruz e seu grupo descobriram que esses dois efeitos se equilibram - os sais querem formar minicristais, que força o nanocanal a se deformar. Esse entendimento torna possível prever e até mesmo projetar um "sistema rodoviário" por onde os íons são transportados, maximizando a potência da bateria.

p A equipe espera que sua descoberta guie os experimentalistas enquanto testam os materiais. Ele dará aos pesquisadores mais informações sobre os conceitos físicos subjacentes aos sistemas BCP.

p Olvera de la Cruz diz, "Fornecemos as ferramentas para entender esses sistemas, incluindo efeitos de escala de comprimento iônico na morfologia de mesoescala do polímero."