Las pilas de combustible y las baterías proporcionan electricidad al generar y convencer a los iones cargados positivamente de un terminal positivo a uno negativo que libera electrones cargados negativamente para alimentar teléfonos celulares, automóviles, satélites o cualquier otra cosa a la que estén conectados. Una parte crítica de estos dispositivos esla barrera entre estos terminales, que deben estar separados para que fluya la electricidad.
Se necesitan mejoras en esa barrera, conocida como electrolito, para hacer que los dispositivos de almacenamiento de energía sean más delgados, más eficientes, más seguros y más rápidos de recargar. Los electrolitos líquidos comúnmente utilizados son voluminosos y propensos a cortocircuitos, y pueden presentar un riesgo de incendio o explosiónsi están pinchados
La investigación dirigida por ingenieros de la Universidad de Pensilvania sugiere un camino diferente hacia adelante: un tipo nuevo y versátil de electrolito de polímero sólido SPE que tiene el doble de conductividad de protones que el material de vanguardia actual. Actualmente se encuentran tales SPEsen las celdas de combustible de membrana de intercambio de protones, pero el nuevo diseño de los investigadores también podría adaptarse para funcionar con las baterías de iones de litio o de iones de sodio que se encuentran en la electrónica de consumo.
El estudio, publicado en Materiales de la naturaleza , fue dirigida por Karen I. Winey, miembro de la Facultad de la Fundación TowerBrook, profesora y presidenta del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, y Edward B. Trigg, entonces estudiante de doctorado en su laboratorio. Demi E. Moed, miembro de pregradodel laboratorio Winey, era coautor.
Colaboraron con Kenneth B. Wagener, George B. Butler, Profesor de Química de Polímeros en la Universidad de Florida, Gainesville, y Taylor W. Gaines, un estudiante graduado en su grupo. Mark J. Stevens, de Sandia National Laboratories, tambiéncontribuyó a este estudio, así como a Manuel Maréchal y Patrice Rannou, del Centro Nacional Francés de Investigación Científica, la Comisión Francesa de Energías Alternativas y Energía Atómica, y la Universidad Grenoble Alpes.
Ya existe una variedad de SPEs. Nafion, que se usa ampliamente en las celdas de combustible de membrana de intercambio de protones, es una lámina de plástico flexible que es permeable a los protones e impermeable a los electrones. Después de absorber agua, los protones pueden fluir a través de canales microscópicos queabarcar la película.
Un Nafion delgado como SPE es especialmente atractivo para las celdas de combustible en aplicaciones aeroespaciales, donde cada kilogramo cuenta. Gran parte del grueso de las baterías portátiles proviene de blindaje diseñado para proteger los electrolitos líquidos de los pinchazos. Los sistemas que usan electrolitos líquidos deben separar aún más los electrodosaparte de sus contrapartes de electrolitos sólidos, ya que la acumulación de metal en los electrodos puede eventualmente cruzar el canal y causar un corto.
Nafion aborda esos problemas, pero todavía hay mucho margen de mejora.
"Nafion es una especie de casualidad", dice Winey. "Su estructura ha sido objeto de debate durante décadas, y probablemente nunca será completamente entendida o controlada".
Nafion es difícil de estudiar porque su estructura es aleatoria y desordenada. Este polímero fluorado ocasionalmente se ramifica en cadenas laterales que terminan con grupos de ácido sulfónico. Son estos ácidos sulfónicos los que atraen el agua y forman los canales que permiten el transporte de protones desde unolado de la película al otro. Pero debido a que estas cadenas laterales ocurren en posiciones aleatorias y son de diferentes longitudes, los canales resultantes a través del polímero desordenado son un laberinto retorcido que transporta iones.
Con el objetivo de atravesar este laberinto, el grupo de Winey recientemente colaboró con Stevens para descubrir una nueva estructura de transporte de protones que tiene capas ordenadas. Estas capas presentan muchos canales paralelos revestidos de ácido a través de los cuales los protones pueden fluir rápidamente.
"Es como las autopistas frente a los caminos rurales de Provenza", dice Winey.
Esta nueva estructura es el resultado de una ruta especial de síntesis química desarrollada por el grupo de Wagener en la Universidad de Florida. Esta ruta coloca uniformemente los grupos ácidos a lo largo de una cadena de polímero de manera que el espacio entre los grupos funcionales es lo suficientemente largo como para cristalizar.El análisis estructural más detallado hasta la fecha fue sobre un polímero con exactamente 21 átomos de carbono entre los grupos de ácido carboxílico, el polímero que inició la colaboración Penn-Florida hace una década.
Mientras el grupo de Winey y Stevens estaban trabajando en la estructura y observando su potencial para transportar iones, el grupo de Wagener estaba trabajando para incorporar grupos de ácido sulfónico para demostrar la diversidad de grupos químicos que podrían unirse a los polietilenos. Ambos equipos se dieron cuenta de que la conductividad de los protones podríarequieren el ácido más fuerte.
"Colocar con precisión los grupos de ácido sulfónico a lo largo del polietileno resultó ser nuestro mayor desafío sintético", dice Wagener. "El éxito finalmente sucedió en manos de Taylor Gaines, quien ideó un esquema que llamamos 'desprotección heterogénea a homogénea' del ácido sulfónicogrupo éster. Fue este proceso sintético el que finalmente condujo a la formación de los polímeros de ácido sulfónico de precisión ".
Los detalles de este proceso también se publicaron recientemente en la revista Macromolecular Chemistry and Physics.
Con las cadenas formando una serie de formas de horquilla con un grupo de ácido sulfónico en cada vuelta, el polímero se ensambla en capas ordenadas, formando canales rectos en lugar del tortuoso laberinto que se encuentra en Nafion.
Literalmente, todavía hay algunos problemas para resolver. El siguiente paso del grupo es orientar estas capas en la misma dirección a lo largo de la película.
"Ya somos más rápidos que Nafion en un factor de dos, pero podríamos ser aún más rápidos si alineamos todas esas capas directamente a través de la membrana electrolítica", dice Winey.
Más que mejorar las celdas de combustible donde se emplea actualmente Nafion, las capas inducidas por cristalización descritas en el estudio de los investigadores podrían extenderse para trabajar con grupos funcionales compatibles con otros tipos de iones.
"Una mejor conducción de protones es definitivamente valiosa, pero creo que la versatilidad de nuestro enfoque es lo que en última instancia es lo más importante", dice Winey. "Todavía no hay electrolito sólido suficientemente bueno para el litio o para el hidróxido, otro ión de celda de combustible común, ytodos los que intentan diseñar nuevos SPE están utilizando un enfoque muy diferente al nuestro "
Las baterías de teléfonos celulares fabricadas con este tipo de SPE podrían ser más delgadas y seguras, con los canales de iones de estilo de la autopista habilitados por el diseño de los investigadores, se recargan mucho más rápido.
"La síntesis de precisión ha sido uno de los grandes desafíos en la ciencia de los polímeros, y este notable trabajo demuestra cómo puede abrir puertas a nuevos materiales de gran promesa", dice Linda Sapochak, directora de la División de Investigación de Materiales de la Fundación Nacional de Ciencias ".NSF se complace en ver que su apoyo en ambas universidades para esta colaboración integradora ha llevado a un avance sinérgico ".
En la Universidad de Pennsylvania, este estudio fue apoyado por la National Science Foundation a través de las subvenciones DMR 1506726 y PIRE 1545884, y por la Oficina de Investigación del Ejército a través de la subvención W911NF-13-1-0363.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Pennsylvania . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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