p A maioria de nós já viu fotos dramáticas de laptops e até carros que pegaram fogo devido a falhas nas baterias de íon de lítio. Em uma escala muito maior, incêndios de bateria paralisaram os jatos 787 Dreamliner da Boeing por vários meses em 2013, enquanto a empresa implementava novos recursos para reduzir o risco de superaquecimento e combustão. p O culpado em muitos desses incêndios espontâneos é a formação de massas cristalinas ramificadas chamadas dendritos, que se formam quando as baterias de lítio passam por ciclos repetidos de carga e descarga. Eventualmente, os cristais "ligam" o cátodo e o ânodo, curto-circuitar a bateria e facilitar a geração de faíscas que podem inflamar o eletrólito líquido inflamável imprensado entre os eletrodos.

p Para resolver este problema, uma equipe de pesquisa da Universidade de Delaware liderada por Thomas H. Epps, III, o Thomas e Kipp Gutshall Professor Associado de Engenharia Química, está projetando novos eletrólitos sólidos usando polímeros de blocos cônicos para substituir os eletrólitos líquidos. Em colaboração com pesquisadores do MIT, Epps também ajudou a adaptar uma técnica de análise de superfície para caracterizar esses polímeros nanoestruturados.

p Engenharia do material

p Nos últimos anos, polímeros em bloco têm recebido atenção considerável como materiais de membrana condutores e de transporte recarregáveis, devido à sua combinação única de materiais térmicos, estabilidade mecânica e eletroquímica.

p Epps compara polímeros em bloco a trens e vagões de trem em nanoescala. Assim como um trem pode ser feito de vários carros, alguns, como petroleiros, transportando fluidos e outros, como flatbeds, carregando carga sólida - o polímero em bloco contém vários segmentos de polímero conectados em blocos com características diferentes.

p Os polímeros de bloco usados ​​em membranas de bateria normalmente consistem em um bloco semelhante a um líquido complexado com um sal de metal para formar caminhos condutores de íons, bem como um bloco rígido para resistir à formação de dendritos e conferir estabilidade térmica e mecânica.

p Epps e sua equipe levaram o conceito de polímeros em bloco um passo adiante, estreitando a interface, ou a região de transição entre os blocos, de modo que as propriedades dos diferentes blocos de polímero são intercaladas.

p Melhorar a condutividade controlando o comportamento térmico

p Uma propriedade crítica para polímeros condutores de íons é a temperatura de transição vítrea, ou a temperatura acima da qual um polímero amorfo assume um caráter mais líquido e abaixo da qual é "vítreo" ou sólido.

p Epps e sua equipe demonstraram que a composição da região cônica entre os blocos de polímero impacta significativamente essa temperatura nos eletrólitos de polímero, afetando assim a condutividade iônica.

p "Baixar a temperatura de transição vítrea em apenas sete graus pode aumentar a condutividade dos eletrólitos à base de polímero em aproximadamente 150 por cento, "diz ele." E se o baixarmos mais três graus, podemos triplicar a condutividade. "

p Analisando a nanoestrutura

p Um desafio principal no uso de polímeros em bloco reside no controle e análise da localização e distribuição espacial dos vários componentes em nanoescala e escala atômica nesses materiais de automontagem. Quaisquer métodos usados ​​para avaliar os materiais devem ser capazes de "ver" a estrutura em nanoescala sem causar danos que confundam ou de outra forma confundam a análise.

p Em colaboração com pesquisadores do MIT, onde passou o ano acadêmico de 2012-13 em licença sabática como Martin Luther King, Jr. Professor Visitante de Química, Epps ajudou a aplicar uma nova técnica, C ₆₀ ⁺ espectroscopia de fotoelétrons de raios-X de perfil de profundidade (XPS), a polímeros nanoestruturados que facilitam a análise de informações químicas e atômicas em um material em função da profundidade.

p XPS é uma técnica espectroscópica quantitativa sensível à superfície que mede a composição elementar em alta resolução. Epps e seus colegas do MIT empregaram o XPS, no qual moléculas em forma de bola de futebol chamadas "buckyballs" foram usadas para gravar através do filme de polímero, permitindo que a composição química seja sondada em função da profundidade.

p "Agora que temos uma maneira de caracterizar de forma mais completa o que está acontecendo em nanoescala em polímeros de blocos cônicos, podemos projetá-los com as propriedades precisas necessárias para aplicações específicas, "Diz Epps.

p "Embora tenhamos aplicado com sucesso a técnica para avaliar materiais para aplicações de bateria, acreditamos que os recursos exclusivos do C ₆₀ ⁺ o perfil de profundidade XPS o torna uma ferramenta poderosa para a análise de filmes finos de polímeros nanoestruturados em aplicações que variam de armazenamento e geração de energia a revestimentos de superfície e modelos em nanoescala. "

p Sobre a pesquisa

p O sistema de materiais estudado por Epps e sua equipe compreendia poliestireno mecanicamente rígido (PS) e poli (oligo-oxietileno metacrilato) condutor de íons (POEM). O trabalho está documentado em papel, "Condutividade iônica controlada via eletrólitos de polímero em bloco cônico, "publicado na RSC Advances em 2015. O artigo foi co-autoria de Wei-Fan Kuan, Roddel Remy, e Michael Mackay no Departamento de Engenharia Química e Biomolecular da UD e no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais.

p O trabalho de caracterização é detalhado em um artigo, "Determinação de distribuições de íons de lítio em filmes finos de eletrólito de polímero em bloco nanoestruturado por espectroscopia de fotoelétrons de raios-X de profundidade de perfil, " publicado em ACS Nano em 2015. O artigo foi co-autoria de Jonathan Gilbert, Michael Rubner e Robert Cohen no MIT e Ming Luo no Departamento de Engenharia Química e Biomolecular da UD.