燃料電池和電池通過(guò)從正極到負(fù)極產(chǎn)生和吸引帶正電的離子來(lái)提供電力，從而釋放帶負(fù)電的電子，從而為手機(jī)，汽車，衛(wèi)星或其他任何連接的電源供電。這些設(shè)備的關(guān)鍵部分是這些終端之間的屏障，必須將其分開才能使電流流動(dòng)。

需要對(duì)該屏障進(jìn)行改進(jìn)，稱為電解質(zhì)，以使能量存儲(chǔ)裝置更薄，更有效，更安全且更快地再充電。常用的液體電解質(zhì)體積大，容易發(fā)生短路，如果被刺破可能會(huì)引起火災(zāi)或爆炸危險(xiǎn)。

由賓夕法尼亞大學(xué)的工程師領(lǐng)導(dǎo)的研究表明了一種不同的前進(jìn)方式：一種新型多功能固體聚合物電解質(zhì)(SPE)，其質(zhì)子傳導(dǎo)性是目前最先進(jìn)材料的兩倍。這些SPE目前存在于質(zhì)子交換膜燃料電池中，但研究人員的新設(shè)計(jì)也適用于消費(fèi)電子產(chǎn)品中的鋰離子或鈉離子電池。

該研究發(fā)表于NatureMaterials，由KarenI.Winey，TowerBrookFoundation教職研究員，材料科學(xué)與工程系教授兼主席EdwardB.Trigg領(lǐng)導(dǎo)，當(dāng)時(shí)她是實(shí)驗(yàn)室的博士生。Winey實(shí)驗(yàn)室的本科成員DemiE.Moed是合著者。

他們與佛羅里達(dá)大學(xué)蓋恩斯維爾分校的GeorgeB.Butler高分子化學(xué)教授KennethB.Wagener以及他所在小組的研究生TaylorW.Gaines合作。桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的MarkJ.Stevens也參與了這項(xiàng)研究，以及法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心，法國(guó)替代能源和原子能委員會(huì)以及格勒諾布爾阿爾卑斯大學(xué)的ManuelMaréchal和PatriceRannou。

已經(jīng)存在各種SPE。Nafion廣泛用于質(zhì)子交換膜燃料電池，是一種柔性塑料片，可透過(guò)質(zhì)子并且不透電子。吸收水后，質(zhì)子可以流過(guò)跨越薄膜的微觀通道。

像Nafion這樣的薄型SPE特別適用于特種航天應(yīng)用中的燃料電池，每公斤都很重要。大部分便攜式電池都來(lái)自用于保護(hù)液體電解質(zhì)免受刺穿的屏蔽。使用液體電解質(zhì)的系統(tǒng)必須將電極與它們的固體電解質(zhì)對(duì)應(yīng)物分開得更遠(yuǎn)，因?yàn)殡姌O上的金屬堆積最終會(huì)穿過(guò)通道并導(dǎo)致短路。

Nafion解決了這些問(wèn)題，但仍有很大的改進(jìn)空間。

“Nafion是一種僥幸，”Winey說(shuō)。“它的結(jié)構(gòu)幾十年來(lái)一直是爭(zhēng)論的主題，可能永遠(yuǎn)不會(huì)被完全理解或控制。”

Nafion很難研究，因?yàn)樗慕Y(jié)構(gòu)是隨機(jī)的和無(wú)序的。這種氟化聚合物偶爾會(huì)分支成以磺酸基團(tuán)結(jié)束的側(cè)鏈。正是這些磺酸吸入水中并形成通道，允許質(zhì)子從薄膜的一側(cè)傳輸?shù)搅硪粋?cè)。但是因?yàn)檫@些側(cè)鏈發(fā)生在隨機(jī)位置并且長(zhǎng)度不同，所以通過(guò)無(wú)序聚合物產(chǎn)生的通道是一個(gè)輸送離子的扭曲迷宮。

為了切斷這個(gè)迷宮，Winey的團(tuán)隊(duì)最近與史蒂文斯合作，發(fā)現(xiàn)了一種新的質(zhì)子傳輸結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)有序?qū)印＿@些層具有許多平行的酸襯通道，質(zhì)子可以通過(guò)這些通道快速流動(dòng)。

“這就像高速公路與普羅旺斯的鄉(xiāng)村公路一樣，”Winey說(shuō)。

這種新結(jié)構(gòu)是佛羅里達(dá)大學(xué)Wagener小組開發(fā)的一種特殊化學(xué)合成途徑的結(jié)果。該路線沿著聚合物鏈均勻地放置酸基團(tuán)，使得官能團(tuán)之間的間隔足夠長(zhǎng)以結(jié)晶。迄今為止最詳細(xì)的結(jié)構(gòu)分析是在羧酸基團(tuán)之間具有恰好21個(gè)碳原子的聚合物，這種聚合物在十年前啟動(dòng)了賓夕法尼亞-佛羅里達(dá)合作。

雖然Winey的團(tuán)隊(duì)和史蒂文斯正在研究這種結(jié)構(gòu)，并注意到它有可能傳輸離子，但Wagener的小組正在努力加入磺酸基團(tuán)來(lái)證明可以附著在聚乙烯上的化學(xué)基團(tuán)的多樣性。兩個(gè)團(tuán)隊(duì)都意識(shí)到質(zhì)子傳導(dǎo)性需要更強(qiáng)的酸。

“準(zhǔn)確地將磺酸基團(tuán)放在聚乙烯上被證明是我們最大的合成挑戰(zhàn)，”Wagener說(shuō)。“成功最終發(fā)生在TaylorGaines的手中，他設(shè)計(jì)了一種我們稱之為'異構(gòu)去均相脫保護(hù)'磺酸基酯的方案。正是這種合成方法最終導(dǎo)致了精密磺酸聚合物的形成。”

該過(guò)程的細(xì)節(jié)最近也發(fā)表在“高分子化學(xué)與物理”雜志上。

由于鏈條形成一系列發(fā)夾形狀，每匝都有一個(gè)磺酸基團(tuán)，聚合物組裝成有序的層，形成直通道而不是Nafion中發(fā)現(xiàn)的曲折迷宮。

從字面上看，還有一些問(wèn)題需要解決。該小組的下一步是在整個(gè)膠片中將這些層定向在相同的方向上。

“我們已經(jīng)比Nafion快了兩倍，但如果我們將所有這些層直接排列在電解質(zhì)膜上，我們可能會(huì)更快，”Winey說(shuō)。

除了改進(jìn)目前使用Nafion的燃料電池外，研究人員研究中描述的結(jié)晶誘導(dǎo)層可以擴(kuò)展到與其他種類離子相容的官能團(tuán)。

“更好的質(zhì)子傳導(dǎo)絕對(duì)是有價(jià)值的，但我認(rèn)為我們方法的多功能性最終是最重要的，”Winey說(shuō)。“鋰或氫氧化物仍然沒有足夠好的固體電解質(zhì)，另一種常見的燃料電池離子，每個(gè)試圖設(shè)計(jì)新SPE的人都采用了與我們不同的方法。”

使用這種SPE制造的手機(jī)電池可以更薄更安全，研究人員設(shè)計(jì)的高速公路式離子通道可以更快地充電。

“精密合成一直是聚合物科學(xué)面臨的巨大挑戰(zhàn)之一，這項(xiàng)卓越的工作展示了它如何打開具有巨大潛力的新型材料的大門，”美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)材料研究部主任LindaSapochak說(shuō)。“美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)很高興看到它在兩所大學(xué)的這種綜合合作的支持帶來(lái)了協(xié)同的突破。”

在賓夕法尼亞大學(xué)，這項(xiàng)研究由國(guó)家科學(xué)基金會(huì)通過(guò)撥款DMR1506726和PIRE1545884以及陸軍研究辦公室通過(guò)撥款W911NF-13-1-0363提供支持。