美國科學家開發出的一種超離子聚合物，有望克服固態電池中的一些主要挑戰，並使其更安全、更高效、更加實用。這項創新解決方案由美國能源部奧克里奇國家實驗室（ORNL）的研究人員設計，專注於解決離子運動緩慢的問題，即電解質內部離子的受限和遲緩運輸。為了這個項目，科學家們仔細控制了基於鋰鹽的聚合物的化學成分，設計出一種新型材料，可以實現電池及其他能源儲存技術中離子的超高速運輸。
ORNL的研發科學家Catalin Gainaru表示，聚合物電解質相對於液體電解質有明顯的優勢。快速離子運輸一直是聚合物電解質的一大挑戰，但我們最近的研究表明，這種情況可能不再存在。電池由兩個電極，即陰極和陽極組成，這兩者之間由電解質分隔，離子在充電循環中在這些電極之間來回移動。然而，傳統電池使用液體或凝膠電解質，而日益增長的需求促使固態電池的發展，這些電池使用固體電解質。
一些固態電池使用陶瓷電解質，即所謂的超離子陶瓷，因為它們能非常有效地運輸離子。然而，這些材料脆弱，製造困難，且往往難以與電池電極保持良好接觸。相比之下，聚合物更具柔韌性且更易於處理，但在離子運輸方面表現不佳。現在，該團隊展示了一種聚合物材料能夠達到超離子狀態，在這一狀態下，離子的移動速度可達到其周圍環境的10億倍。
ORNL的聚合物電解質包含偏極段，有利於鋰鹽的引入，並大大增強了離子的流動性。ORNL的知名研究員Tomonori Saito博士表示，研究人員通過添加精確的分子團體—兩性離子，來調整聚合物的結構。這使得離子能夠形成小空間，兩性離子同時帶有正負電荷，增加了局部極性，但使分子保持中性。
在正確的比例下將兩性離子納入聚合物骨架後，能促使離子聚集成小口袋。隨著這些口袋的形成，它們開始連接成連續的通道狀態，最終形成一個網絡，使離子能夠高效地穿過材料，並且阻力最小。研究人員發現，當約80%的聚合物單元被功能化時，可以形成穩定的離子導電通道。在這種最佳化狀態下，離子的移動速度相對於其周圍環境可提高幾個數量級，顯著提升了材料的導電性。
該團隊計劃擴展研究，探索聚合物超離子行為背後的機制。他們旨在利用超級計算機、人工智慧驅動的自動化化學和中子散射技術，在分裂中子源進行觀察和理解離子在分子層面的相互作用。Saito在一份新聞稿中總結道，預測所有可能受益於這一發現的技術是困難的，任何需要不透水屏障層但允許離子自由穿過的應用，都是潛在的應用方向。這項研究已發表在《Materials Today》期刊上。
