燃料電池和電池通過從正極到負極產生和吸引帶正電的離子來提供電力，從而釋放帶負電的電子，從而為手機，汽車，衛(wèi)星或其他任何連接的電源供電。這些設備的關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。

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

由賓夕法尼亞大學的工程師領導的研究表明了一種不同的前進方式：一種新型多功能固體聚合物電解質(SPE)，其質子傳導性是目前最先進材料的兩倍。這些SPE目前存在于質子交換膜燃料電池中，但研究人員的新設計也適用于消費電子產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，材料科學與工程系教授兼主席EdwardB.Trigg領導，當時她是實驗室的博士生。Winey實驗室的本科成員DemiE.Moed是合著者。

他們與佛羅里達大學蓋恩斯維爾分校的GeorgeB.Butler高分子化學教授KennethB.Wagener以及他所在小組的研究生TaylorW.Gaines合作。桑迪亞國家實驗室的MarkJ.Stevens也參與了這項研究，以及法國國家科學研究中心，法國替代能源和原子能委員會以及格勒諾布爾阿爾卑斯大學的ManuelMaréchal和PatriceRannou。

已經存在各種SPE。Nafion廣泛用于質子交換膜燃料電池，是一種柔性塑料片，可透過質子并且不透電子。吸收水后，質子可以流過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用中的燃料電池，每公斤都很重要。大部分便攜式電池都來自用于保護液體電解質免受刺穿的屏蔽。使用液體電解質的系統(tǒng)必須將電極與它們的固體電解質對應物分開得更遠，因為電極上的金屬堆積最終會穿過通道并導致短路。

Nafion解決了這些問題，但仍有很大的改進空間。

“Nafion是一種僥幸，”Winey說。“它的結構幾十年來一直是爭論的主題，可能永遠不會被完全理解或控制。”

Nafion很難研究，因為它的結構是隨機的和無序的。這種氟化聚合物偶爾會分支成以磺酸基團結束的側鏈。正是這些磺酸吸入水中并形成通道，允許質子從薄膜的一側傳輸到另一側。但是因為這些側鏈發(fā)生在隨機位置并且長度不同，所以通過無序聚合物產生的通道是一個輸送離子的扭曲迷宮。

為了切斷這個迷宮，Winey的團隊最近與史蒂文斯合作，發(fā)現了一種新的質子傳輸結構，該結構有序層。這些層具有許多平行的酸襯通道，質子可以通過這些通道快速流動。

“這就像高速公路與普羅旺斯的鄉(xiāng)村公路一樣，”Winey說。

這種新結構是佛羅里達大學Wagener小組開發(fā)的一種特殊化學合成途徑的結果。該路線沿著聚合物鏈均勻地放置酸基團，使得官能團之間的間隔足夠長以結晶。迄今為止最詳細的結構分析是在羧酸基團之間具有恰好21個碳原子的聚合物，這種聚合物在十年前啟動了賓夕法尼亞-佛羅里達合作。

雖然Winey的團隊和史蒂文斯正在研究這種結構，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來證明可以附著在聚乙烯上的化學基團的多樣性。兩個團隊都意識到質子傳導性需要更強的酸。

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

該過程的細節(jié)最近也發(fā)表在“高分子化學與物理”雜志上。

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

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

“我們已經比Nafion快了兩倍，但如果我們將所有這些層直接排列在電解質膜上，我們可能會更快，”Winey說。

除了改進目前使用Nafion的燃料電池外，研究人員研究中描述的結晶誘導層可以擴展到與其他種類離子相容的官能團。

“更好的質子傳導絕對是有價值的，但我認為我們方法的多功能性最終是最重要的，”Winey說。“鋰或氫氧化物仍然沒有足夠好的固體電解質，另一種常見的燃料電池離子，每個試圖設計新SPE的人都采用了與我們不同的方法。”

使用這種SPE制造的手機電池可以更薄更安全，研究人員設計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面臨的巨大挑戰(zhàn)之一，這項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，”美國國家科學基金會材料研究部主任LindaSapochak說。“美國國家科學基金會很高興看到它在兩所大學的這種綜合合作的支持帶來了協(xié)同的突破。”

在賓夕法尼亞大學，這項研究由國家科學基金會通過撥款DMR1506726和PIRE1545884以及陸軍研究辦公室通過撥款W911NF-13-1-0363提供支持。