研究人員發現了一種關鍵缺陷，限制了更安全電池材料中離子的有效移動，並提出了解決方案。這項研究專注於聚合物離子液體（PILs），這是一種不易燃的替代品，用於取代傳統鋰離子電池中的液體電解質。電解質在現代可充電電池中扮演著核心角色，能夠讓鋰離子在電極之間移動。然而，許多常用的電解質是易燃的，存在安全風險，曾在筆記本電腦、电動單車和電動車中引發火災。PILs 提供了一個更安全的選擇，因為它們不容易著火。然而，能在室溫下良好導電的材料往往過於柔軟，這使得它們在實際設備中的應用變得困難。
為了解決這一問題，研究人員將PILs與第二種更堅硬的聚合物結合，形成了嵌段共聚物。這些材料會自我組裝成納米級結構，能夠改善其強度及離子傳輸能力。針對這一機械弱點的解決策略之一，是將PIL與第二種堅硬聚合物相連接，形成所謂的嵌段共聚物。Gila Stein表示，由於不同的區塊不喜歡混合，這種嵌段共聚物會自發地自我組裝成有序的納米結構。
這些納米結構對於離子如何通過材料移動至關重要。然而，研究團隊發現這種排列並不完美。結構中的缺陷可能會充當障礙物，阻礙離子流動。研究人員懷疑這些缺陷像死胡同一樣困住了離子，從而降低了整體導電性。為了檢驗這一點，他們設計了多個版本的材料，並研究結構變化如何影響性能。
嵌段共聚物是化學與自組織的迷人結合，Samuel Adotey表示。即使是微小的化學變化，也能顯著影響材料的組織和行為。團隊專注於形成層狀或薄片結構的材料，這使他們更清楚地了解離子的運動。通過分析這些系統，他們確認了死胡同確實是導致導電性降低的原因。Stein指出，自我組裝過程中存在許多不完美之處。她表示，我們認為這些缺陷可能像死胡同一樣，阻礙了離子從材料中移動。
利用這一見解，研究人員制定了減少這些缺陷的設計指導方針。他們的方法可以將離子導電性提高到一個數量級，同時保持材料的結構穩定。Adotey解釋道，這個系統形成交替薄片，清楚地展示了離子組分如何影響嵌段共聚物的間距、流動性和結構穩定性。
這項研究增強了對如何設計能在實際條件下保持納米級結構的PIL嵌段共聚物的理解。Adotey表示，通過更好地控制結構和性能，這些材料有望在下一代電池和其他需要安全與效率的技術中得到應用。這項研究對於薄膜電子學和致動器等應用也具有重要意義。該研究發表在《Macromolecules》期刊上。
