为更安全的小型电池和燃料电池铺平道路

燃料电池和电池通过将正电荷的离子从正极到负极端子产生电能而提供电能，这些负极释放负电荷的电子来为手机、汽车、卫星或其他连接的电源供电。这些设备的一个关键部分是这些端子之间的屏障，它们必须分开才能使电流流动。

对这种屏障的改进，被称为电解质，需要使储能装置更薄、更高效、更安全、更快地充电。常用的液体电解质体积大，容易短路，如果被刺穿，可能会产生火灾或爆炸危险。

由宾夕法尼亚大学工程师领导的研究提出了一种不同的方法：一种新型的、多用途的固体聚合物电解质（SPE），它具有目前最先进的材料的质子传导率的两倍。目前这种质子交换膜燃料电池在质子交换膜燃料电池中被发现，但研究人员的新设计也可以适用于在消费电子产品中发现的锂离子电池或钠离子电池。

这项研究发表在《自然材料》杂志上，由ToueBrok基金会教授、材料科学与工程系教授兼主席Karen I. Winey和Edward B. Trigg博士在其实验室的博士生Demi E. Moed主持。尼娜实验室为这项研究做出了贡献。

他们与Kenneth B. Wagener，George B. Butler，盖恩斯维尔佛罗里达大学的高分子化学教授，以及他的小组的研究生Taylor W. Gaines合作。桑迪亚国家实验室的Mark J. Stevens也参与了这项研究，以及法国国家科学研究中心、法国替代能源和原子能委员会以及格勒诺布尔大学阿尔卑斯分校的曼努埃尔·马歇尔和Patrice Rannou。

各种SPE已经存在。在质子交换膜燃料电池中广泛使用的Nafion是一种可渗透质子和不可渗透电子的柔性塑料片。在吸收水之后，质子可以通过跨越膜的微观通道流动。

一个薄的SPE状的Nafion对航空航天应用中的燃料电池特别诱人，每千克都是如此。大量的便携式电池来自屏蔽，以保护液体电解质免受穿刺。使用液体电解质的系统必须将电极进一步分离，然后将其与固体电解质相对应，因为电极上的金属积聚最终会穿过通道并导致短路。

Nafion解决了这些问题，但仍有很大的改进空间。nbsp；nbsp；

“Nafion有点侥幸，”Winey说。“它的结构几十年来一直是争论的主题，而且很可能永远不会被完全理解或控制。”

由于其结构是无序无序的，因此很难研究。这种氟化聚合物偶尔分支成以磺酸基结束的侧链。正是这些磺酸在水中汲取并形成通道，使得质子从膜的一侧传输到另一侧。但是由于这些侧链发生在随机位置并且长度不同，因此通过无序聚合物产生的通道是扭曲离子的迷宫。

着眼于穿越这一迷宫，Wiy的团队最近与史蒂文斯合作，发现了一种新的质子传输结构，其有序层。这些层具有许多平行的酸衬里通道，质子可以通过这些通道快速流动。

“这就像是高速公路和普罗旺斯的乡村道路一样，”Winey说。

这种新结构是由佛罗里达大学WGANER集团开发的一种特殊的化学合成路线的结果。该路线均匀地将酸基团沿聚合物链放置，使得官能团之间的间距足够长以结晶。迄今为止，最详细的结构分析是一种在羧酸基之间有21个碳原子的聚合物，这是十年前发起的宾夕法尼亚州佛罗里达合作的聚合物。

Wiy的小组和史蒂文斯正在研究结构，并注意到它具有离子传输的潜力，WaGER的小组正致力于结合磺酸基团来证明可以附着在聚乙烯上的化学基团的多样性。两个团队都意识到质子的导电性需要更强的酸。

Wagener说：“精确地将磺酸基团沿聚乙烯放置是我们最大的综合挑战。”“成功终于发生在Taylor Gaines手中，他设计了一个我们称之为磺酸基酯的非均相脱保护的方案。正是这种合成过程最终导致了精密磺酸聚合物的形成。

这个过程的细节最近也发表在大分子化学和物理学杂志上。

当链在每个转弯处形成一系列具有磺酸基团的发夹形状时，聚合物组装成有序的层，形成直通道而不是在Nafion中发现的曲折迷宫。

从字面上看，还有一些问题需要解决。这个小组的下一步是在整个电影中以相同的方向排列这些层。

Winey说：“我们已经比Nafion速度快了两倍，但是如果我们将所有这些层都垂直地穿过电解质膜，我们可能会更快。”

除了改进Nafion目前使用的燃料电池之外，在研究人员的研究中所描述的结晶诱导层可以扩展到与其他种类的离子相容的官能团。nbsp；nbsp；

“更好的质子传导是绝对有价值的，但我认为我们的方法的多功能性是最终最重要的，”Winey说。“目前还没有足够好的固体电解质用于锂或氢氧化物，这是另一种常见的燃料电池离子，每个试图设计新的SPE的人都采用了与我们完全不同的方法。”

用这种SPE制成的手机电池可以更薄更安全，通过研究人员设计的高速公路式离子通道，充电速度更快。

“精密合成一直是高分子科学面临的重大挑战之一，这项杰出的工作表明了它如何为新材料打开大门。”国家科学基金会材料研究司司长Linda Sapochak说。NSF和NBSP很兴奋地看到，在这一综合性合作中，两所大学的支持都促成了协同突破。