Hassas polimer karışımlarını araştıran FAMU-FSU Mühendislik Koleji araştırmacıları tarafından yönetilen yeni bir çalışma, piller, membranlar ve enerji depolama sistemleri için gelişmiş malzemelerin gelişimini hızlandırabilecek kritik içgörüler ortaya koydu.
Polietilen oksit (PEO) adı verilen bir polimerin karışımlarına ve P5 olarak bilinen yüklü bir polimerlere odaklanan araştırma, az miktarda yükün bile bu malzemelerin nasıl karıştığını önemli ölçüde değiştirebileceğini buldu. Bu davranış, daha önce geliştirilmiş teorik modellerle uyumludur ve polimer karışımlarının ne zaman tek tip kalacağını veya farklı aşamalara ayrılacağını tahmin etmek için yeni bir çerçeve sunar. Çalışma dergide yayınlandı Makromoleküller.
Kimyasal ve biyomedikal mühendisliği doçenti Daniel Hallinan, “Bu iki polimerin nasıl karıştığını anlamak hem stabil hem de işlevsel malzemeler tasarlamak için gereklidir.” Dedi. “Bulgularımız, yük konsantrasyonunun ve elektrostatik mukavemetin, polimer davranışının ayarlanmasında anahtar kollar olduğunu ve daha önce sadece teorize edilmiş bir şeyin deneysel kanıtlarını sağladığını göstermektedir.”
Araştırmacılar, karışımların bir dizi oranda nasıl davrandığını anlamak için farklı PEO ve P5 oranlarına sahip karışımları incelediler. Sadece küçük bir P5 ile çoğunlukla PEO olan bir karışım yarattıklarında, malzemelerin sorunsuz bir şekilde karışmadığını ve bunun yerine iki ayrı parçaya ayrılmadığını buldular. Ancak daha fazla P5 eklediklerinde, karışımlar tek, tek tip bir malzeme oluşturmaya başladı.
Çalışma, bu karışımların bileşimindeki değişikliklerin farklı sıcaklıklarda davranışlarını nasıl etkilediğini tahmin eden bir modeli doğrular. Araştırmacılar, bu malzemelerin katıdan sıvıya ve tam tersi değiştiği temel sıcaklık eşiklerini tespit ettiler. Polimer karışımlarının kararlı kaldığı koşulları belirleyerek, bilim adamları pillerde ve diğer uygulamalarda kullanılmak üzere malzemeleri daha verimli bir şekilde tasarlayabilirler.
Eski bir doktora öğrencisi olan çalışma ortak yazarı Michael Patrick Blatt, “Çalışmamız polimer karışımlarının davranışını tahmin eden bir dizi denklemi doğruladı.” Dedi. Diyerek şöyle devam etti: “Bu, uygun olmayan polimer kombinasyonlarını sentezlenmeden veya harmanlanmadan ortadan kaldırarak yeni elektrolitlerin keşfini hızlandırabilir. Bu, daha akıllı, daha sürdürülebilir malzeme tasarımına doğru bir adımdır. Daha iyi modellerle daha iyi malzemeler daha hızlı oluşturabiliriz.”
Araştırma, özellikle PEO ve benzeri malzemelerin önemli bir rol oynadığı pilleri, özellikle yüksek enerjili yoğunluklu lityum metal pilleri geliştirmek için değerlidir.
Yanıcı sıvılardan ziyade katı malzemeler kullanan katı hal piller, geleneksel lityum iyon pillere daha güvenli ve daha verimli bir alternatif sunar.
Hallinan, “Bu, yağ yakan bir fenerden bir muma geçmek gibi.” Dedi. “Mumlar tasarımda daha taşınabilir ve daha basittir, bu yüzden onları hala Amerika’daki hemen hemen her evde bulabilirsiniz, ancak çok az sayıda evin petrol yakıcı fenerleri vardır.”
Lityum pillerde kullanılan malzemelerin iyileştirilmesi, modern teknolojide artan enerji depolama taleplerini karşılamak için gereklidir. Araştırma, sadece pilleri daha güvenli ve daha verimli hale getirmekle kalmayıp, aynı zamanda daha iyi enerji çözümlerine olan küresel ihtiyaca cevap vermeyi amaçlamaktadır.
Hallinan, “Enerji depolama, özellikle piller aracılığıyla, toplumumuzun bugün güvendiği birçok teknolojide sınırlayıcı bir faktördür.” Dedi. “Akıllı telefonlar, elektrikli araçlar, dronlar ve uzay probları gibi öğelerin tümü gelişmiş pil performansına bağlıdır. Daha uzun ömürlü ve daha güvenli pillerden yararlanacak uzun bir teknoloji listesi vardır.”
Pil teknolojisi, katı hal tasarımlarına doğru ilerliyor ve yumuşak polimerler ve sert malzemelerin bir kombinasyonu lehine günümüz ticari pillerinde yaygın olarak kullanılan uçucu ve tehlikeli çözücülerden uzaklaşıyor.
Bu kompozit elektrolitler, bu araştırmada incelenen karışımlar ve sert inorganik tozlar gibi yumuşak polimer elektrolitlerden oluşur. Hallinan’ın laboratuvarı, ince, esnek elektrolit membranları oluşturmak için kullanılabilecek bir polimer bağlayıcı geliştirmek için Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı ile işbirliği yapıyor.
Hallinan, “Heyecan verici bir sonraki adım, kullandığımız iletken olmayan bağlayıcıdan karışım elektrolitimize geçmek, iyonların kompozitin tüm kısımlarında serbestçe hareket etmesine izin vermektir.” Dedi.
