Američtí vědci vyvinuli superpolymer: Odemkli cestu k rychlejším a bezpečnějším bateriím pro elektromobily

Američtí vědci z Oak Ridge National Laboratory (ORNL) vyvinuli superionický polymer, který by mohl zásadně posunout vývoj polovodičových baterií. Tato inovace by mohla překonat jednu z největších překážek v jejich vývoji a učinit je bezpečnějšími, účinnějšími a praktičtějšími.

Američtí vědci z Oak Ridge National Laboratory (ORNL) vyvinuli superionický polymer, který by mohl zásadně posunout vývoj polovodičových baterií. Tato inovace by mohla překonat jednu z největších překážek v jejich vývoji a učinit je bezpečnějšími, účinnějšími a praktičtějšími. Klíčovým problémem, který nový polymer řeší, je pomalý pohyb iontů v elektrolytu.

Tým vědců pečlivě kontroloval chemické složení polymeru na bázi lithné soli a navrhl nový materiál, který umožňuje superrychlý transport iontů v bateriích a dalších technologiích pro ukládání energie. Catalin Gainaru, vědec z ORNL, zdůraznil, že polymerní elektrolyty nabízejí jasné výhody oproti kapalným. Dosažení rychlého transportu iontů bylo vždy velkou výzvou, ale tento výzkum ukazuje, že to již nemusí platit.

Baterie se skládají ze dvou elektrod – katody a anody – oddělených elektrolytem, kde se ionty pohybují tam a zpět během nabíjecích cyklů. Zatímco tradiční baterie používají kapalné nebo gelové elektrolyty, rostoucí poptávka směřuje k polovodičovým bateriím s pevnými elektrolyty. Některé polovodičové baterie využívají keramické elektrolyty, známé jako superionické keramiky, které velmi účinně transportují ionty. Ty jsou však křehké, obtížně vyrobitelné a často mají problémy s udržením dobrého kontaktu s elektrodami baterie. Polymery jsou naopak flexibilní a snadněji zpracovatelné, ale trpí špatným transportem iontů.

Tým nyní prokázal, že polymerní materiál může dosáhnout superionického stavu, ve kterém se ionty mohou pohybovat až 10 miliardkrát rychleji než v jejich okolí. Tomonori Saito, výzkumník z ORNL, vysvětlil, že polymerní elektrolyt ORNL obsahuje polární segmenty, které podporují začlenění lithných solí a výrazně zvyšují mobilitu iontů. Vědci vyladili strukturu polymeru přidáním přesného množství molekulárních skupin, takzvaných zwitteriontů. Tyto zwitterionty nesou kladný i záporný náboj, což zvyšuje lokální polaritu, ale molekulu ponechává neutrální.

Jakmile jsou zwitterionty vpraveny do polymerního řetězce ve správném poměru, povzbuzují ionty k shlukování do malých kapes. S tvorbou více těchto kapes se začnou spojovat do souvislých, kanálovitých drah. Výsledkem je síť, která umožňuje iontům efektivně „přeskakovat“ materiálem s minimálním odporem. Vědci identifikovali optimální konfiguraci, kdy bylo funkčních přibližně 80 procent polymerních jednotek, což umožnilo tvorbu stabilních iontově vodivých kanálů. V tomto optimalizovaném stavu se ionty mohou pohybovat o řády rychleji vzhledem k jejich okolí, což výrazně zlepšuje vodivost materiálu.

Tým plánuje rozšířit práci studiem mechanismů superionického chování polymeru. Cílem je sledovat a porozumět interakcím iontů na molekulární úrovni pomocí superpočítačů, autonomní chemie řízené umělou inteligencí a neutronového rozptylu ve Spallation Neutron Source. Saito na závěr dodal, že je těžké předpovědět všechny technologie, které by mohly tento objev využít. Potenciální aplikací je cokoli, co potřebuje nepropustnou bariérovou vrstvu, ale zároveň umožňuje volný pohyb iontů.