Badacze z Uniwersytetu w Oksfordzie odkryli nową klasę materiałów organicznych, które przewodzą jony tak samo skutecznie w stanie ciekłym, ciekłokrystalicznym i stałym. Wyniki przełomowych badań opublikowano w prestiżowym czasopiśmie Science.
Dlaczego ciała stałe zwykle zawodzą?
W typowych materiałach, gdy ciecz przechodzi w stan stały, jej cząsteczki „zastygają” w uporządkowanej strukturze. Dla jonów oznacza to koniec swobodnego ruchu, a w praktyce – drastyczny spadek przewodnictwa jonowego. To główna przeszkoda w rozwoju bezpiecznych elektrolitów stałych, szczególnie w bateriach nowej generacji. Zespół z Oksfordu postanowił obejść to ograniczenie… projektując materię od podstaw.
Molekuły jak szczotki w myjni samochodowej
Nowe materiały – nazwane elektrolitami niezależnymi od stanu skupienia (SIE) – zbudowane są z nietypowych jonów organicznych. Każda cząsteczka przypomina płaski dysk otoczony długimi, elastycznymi „ramionami”. Dodatni ładunek jest w niej równomiernie rozłożony, co zapobiega silnemu wiązaniu z jonami ujemnymi.
Jony ujemne mogą swobodnie „przeciskać się” między elastycznymi łańcuchami bocznymi – nawet wtedy, gdy materiał jest już ciałem stałym. Co więcej, w stanie stałym cząsteczki same układają się w sztywne kolumny otoczone elastycznymi fragmentami, tworząc uporządkowaną, a jednocześnie dynamiczną strukturę. To właśnie ona umożliwia zachowanie wysokiej ruchliwości jonów.
To samo zachowanie w cieczy i w ciele stałym
Ku zaskoczeniu samych badaczy, przewodnictwo jonowe nie zmienia się znacząco przy przejściu materiału z cieczy w stan stały. Jak podkreśla kierownik badań, Paul McGonigal, materiały zachowują się niemal identycznie w trzech różnych fazach: cieczy, ciekłego kryształu oraz ciała stałego. To fundamentalne odkrycie podważa jedno z podstawowych założeń elektrochemii.
Bezpieczniejsze baterie i elastyczna elektronika
Potencjalne zastosowania nowych elektrolitów są bardzo szerokie. Szczególnie obiecujące są: baterie półprzewodnikowe (bez ciekłych, łatwopalnych elektrolitów), czujniki i sensory nowej generacji, urządzenia elektrochromowe, elastyczna i lekka elektronika organiczna.
Jednym z możliwych scenariuszy jest wprowadzanie elektrolitu do urządzenia w formie ciekłej (przy nieco podwyższonej temperaturze), a następnie jego zestalenie – bez utraty wydajności. To połączenie łatwej produkcji z wysokim poziomem bezpieczeństwa.
Mała zmiana, wielka konsekwencja
Choć odkrycie dotyczy struktury molekularnej, jego konsekwencje mogą być bardzo praktyczne. Jeśli technologia zostanie rozwinięta, może znacząco wpłynąć na sposób, w jaki projektujemy baterie, elektronikę i urządzenia działające w szerokim zakresie temperatur.
To kolejny przykład na to, że czasem wystarczy zmienić sposób myślenia o materii, by otworzyć zupełnie nowe możliwości technologiczne.
Źródło: Uniwersytet Oksfordzki
