燃料电池和电池通过从正极到负极产生和吸引带正电的离子来提供电力，从而释放带负电的电子，从而为手机，汽车，卫星或其他任何连接的电源供电。这些设备的关键部分是这些终端之间的屏障，必须将其分开才能使电流流动。
需要对该屏障进行改进，称为电解质，以使能量存储装置更薄，更有效，更安全且更快地再充电。常用的液体电解质体积大，容易发生短路，如果被刺破可能会引起火灾或爆炸危险。
由宾夕法尼亚大学工程师领导的研究表明了一种不同的前进方式：一种新型多功能固体聚合物电解质(SPE)，其质子传导性是目前最先进材料的两倍。这些SPE目前在质子交换膜燃料电池中被发现，但研究人员的新设计也适用于消费电子产品中的锂离子或钠离子电池。
该研究发表于Nature Materials，由Karen I. Winey，TowerBrook Foundation教职研究员，材料科学与工程系教授兼主席Edward B. Trigg领导，当时她是实验室的博士生。Winey实验室的本科成员Demi E. Moed是合着者。
他们与佛罗里达大学盖恩斯维尔分校的George B. Butler高分子化学教授Kenneth B. Wagener以及他所在小组的研究生Taylor W. Gaines合作。桑迪亚国家实验室的Mark J. Stevens也参与了这项研究，以及法国国家科学研究中心，法国替代能源和原子能委员会以及格勒诺布尔阿尔卑斯大学的ManuelMaréchal和Patrice Rannou。
已经存在各种SPE。Nafion广泛用于质子交换膜燃料电池，是一种柔性塑料片，可透过质子并且不透电子。吸收水后，质子可以流过跨越薄膜的微观通道。
像Nafion这样的薄型SPE特别适用于航空航天应用中的燃料电池，每公斤都很重要。大部分便携式电池都来自屏蔽，旨在保护液体电解质免受刺破。使用液体电解质的系统必须将电极与它们的固体电解质对应物分开得更远，因为电极上的金属堆积最终会穿过通道并导致短路。
Nafion解决了这些问题，但仍有很大的改进空间。
“Nafion是一种侥幸，”Winey说。“它的结构几十年来一直是争论的主题，可能永远不会被完全理解或控制。”
Nafion很难研究，因为它的结构是随机和无序的。这种氟化聚合物偶尔会分支成以磺酸基团结束的侧链。正是这些磺酸吸入水中并形成通道，允许质子从薄膜的一侧传输到另一侧。但是因为这些侧链发生在随机位置并且长度不同，所以通过无序聚合物产生的通道是传递离子的扭曲迷宫。
为了切断这个迷宫，Winey的团队最近与史蒂文斯合作，发现了一种新的质子传输结构，该结构有序层。这些层具有许多平行的酸衬通道，质子可以通过这些通道快速流动。
“这就像高速公路与普罗旺斯的乡村公路一样，”Winey说。
这种新结构是佛罗里达大学Wagener小组开发的一种特殊化学合成途径的结果。该路线沿着聚合物链均匀地放置酸基团，使得官能团之间的间隔足够长以结晶。迄今为止最详细的结构分析是在羧酸基团之间具有恰好21个碳原子的聚合物，该聚合物在十年前启动了宾夕法尼亚 - 佛罗里达合作。
虽然Winey的小组和史蒂文斯正在研究这种结构并注意到它有可能传输离子，但Wagener的小组正在努力加入磺酸基团来证明可以附着在聚乙烯上的化学基团的多样性。两个团队都意识到质子传导性需要更强的酸。
“准确地将磺酸基团放在聚乙烯上被证明是我们最大的合成挑战，”Wagener说。“成功最终发生在Taylor Gaines的手中，他设计了一种我们称之为'异构去均相去保护'磺酸基酯的方案。正是这种合成方法最终导致了精密磺酸聚合物的形成。”
该过程的细节最近也发表在“高分子化学与物理”杂志上。
由于链条在每个转弯处形成一系列具有磺酸基团的发夹形状，聚合物组装成有序的层，形成直通道而不是Nafion中发现的曲折的迷宫。
从字面上看，还有一些问题需要解决。该小组的下一步是在整个胶片中将这些层定向在相同的方向上。
“我们已经比Nafion快了两倍，但如果我们将所有这些层直接排列在电解质膜上，我们可能会更快，”Winey说。
除了改进目前使用Nafion的燃料电池外，研究人员研究中描述的结晶诱导层可以扩展到与其他种类离子相容的官能团。
“更好的质子传导绝对是有价值的，但我认为我们方法的多功能性最终是最重要的，”Winey说。“锂或氢氧化物仍然没有足够好的固体电解质，另一种常见的燃料电池离子，每个试图设计新SPE的人都采用了与我们截然不同的方法。”
使用这种SPE制造的手机电池可以更薄更安全，研究人员设计的高速公路式离子通道可以更快地充电。
“精确合成一直是聚合物科学面临的巨大挑战之一，这项卓越的工作展示了它如何打开具有巨大潜力的新型材料的大门，”国家科学基金会材料研究部主任Linda Sapochak说。“国家科学基金会很高兴看到它在两所大学的支持，为这种综合性合作带来了协同的突破。”