Une nouvelle étude dirigée par les chercheurs du FAMU-FSU College of Engineering enquêtant sur les mélanges de polymère de précision a révélé des informations critiques qui pourraient accélérer le développement de matériaux avancés pour les batteries, les membranes et les systèmes de stockage d'énergie.
La recherche, qui s'est concentrée sur les mélanges d'un polymère appelé oxyde de polyéthylène (PEO) et un polymère chargé connu sous le nom de P5, a révélé que même de petites quantités de charge peuvent modifier considérablement la façon dont ces matériaux se mélangent. Ce comportement s'aligne sur les modèles théoriques développés précédemment, offrant un nouveau cadre pour anticiper quand les mélanges de polymère resteront uniformes ou séparés en phases distinctes. L'œuvre a été publiée dans la revue Macromolécules.
« Comprendre comment ces deux polymères se mélangent sont essentiels pour la conception de matériaux à la fois stables et fonctionnels », a déclaré le co-auteur Daniel Hallinan, professeur agrégé de génie chimique et biomédical. « Nos résultats montrent que la concentration de charge et la résistance électrostatique sont des leviers clés du comportement du polymère et fournissent des preuves expérimentales de quelque chose qui avait été théorisé auparavant. »
Les chercheurs ont examiné les mélanges avec différents rapports de PEO et P5 pour comprendre comment les mélanges se comportaient sur une gamme de proportions. Ils ont constaté que lorsqu'ils ont créé un mélange qui était principalement PEO avec juste un petit P5, les matériaux ne se mélangent pas en douceur et se séparaient plutôt en deux parties distinctes. Mais quand ils ont ajouté plus de P5, les mélanges ont commencé à former un seul matériau uniforme.
Le travail valide un modèle qui prédit comment les changements dans la composition de ces mélanges affectent leur comportement à différentes températures. Les chercheurs ont identifié des seuils de température clés où ces matériaux sont passés du solide au liquide et vice versa. En identifiant les conditions dans lesquelles les mélanges de polymères restent stables, les scientifiques peuvent concevoir plus efficacement les matériaux pour une utilisation dans les batteries et autres applications.
« Notre étude a validé un ensemble d'équations qui prédit le comportement des mélanges de polymères », a déclaré le co-auteur de l'étude Michael Patrick Blatt, ancien doctorant. « Cela peut accélérer la découverte de nouveaux électrolytes en éliminant les combinaisons de polymères inadaptées avant d'être synthétisées ou mélangées. Il s'agit d'une étape vers la conception de matériaux plus intelligente et plus durable. Avec de meilleurs modèles, nous pouvons créer de meilleurs matériaux plus rapidement. »
La recherche est particulièrement précieuse pour améliorer les batteries, en particulier les batteries de lithium métal à densité à haute énergie, dans lesquelles le PEO et les matériaux similaires jouent un rôle clé.
Les batteries à semi-conducteurs, qui utilisent des matériaux solides plutôt que des liquides inflammables, offrent une alternative plus sûre et plus efficace aux batteries au lithium-ion traditionnelles.
« C'est comme passer d'une lanterne à l'huile à une bougie », a déclaré Hallinan. « Les bougies sont plus portables et plus simples dans la conception, c'est pourquoi vous pouvez toujours les trouver dans presque tous les ménages d'Amérique, tandis que très peu de maisons ont des lanternes à l'huile. »
Améliorer les matériaux utilisés dans les batteries au lithium est essentiel pour répondre aux exigences croissantes du stockage d'énergie dans la technologie moderne. La recherche vise non seulement à rendre les batteries plus sûres et plus efficaces, mais aussi à répondre au besoin mondial croissant de meilleures solutions énergétiques.
« Le stockage d'énergie, en particulier à travers les batteries, est un facteur limitant dans de nombreuses technologies sur lesquelles notre société s'appuie aujourd'hui », a déclaré Hallinan. « Des articles comme les smartphones, les véhicules électriques, les drones et les sondes spatiales dépendent tous de performances de batterie améliorées. Il existe une longue liste de technologies qui bénéficieraient de batteries plus durables et plus sûres. »
La technologie des batteries se dirige vers les conceptions à semi-conducteurs et loin des solvants volatils et dangereux couramment utilisés dans les batteries commerciales d'aujourd'hui en faveur d'une combinaison de polymères mous et de matériaux durs.
Ces électrolytes composites sont constitués d'électrolytes en polymère doux, tels que les mélanges étudiés dans cette recherche et des poudres inorganiques dures. Le laboratoire de Hallinan a collaboré avec Oak Ridge National Laboratory pour développer un liant polymère qui peut être utilisé pour créer des membranes d'électrolyte flexibles et flexibles.
« La prochaine étape passionnante consiste à passer du classeur non conducteur que nous avons utilisé dans notre électrolyte Blend, permettant aux ions de se déplacer librement à travers toutes les parties du composite », a déclaré Hallinan.
