차세대 배터리 및 전자 장치를 위한 가장 유망한 재료 종류 중 하나는 유기 혼합 이온-전자 전도체, 줄여서 OMIEC입니다.이러한 부드럽고 유연한 폴리머 반도체는 유망한 전기화학적 특성을 가지고 있지만 분자 미세 구조와 전자가 이를 통해 이동하는 방식에 대해서는 알려진 바가 거의 없습니다. 이는 OMIEC를 시장에 출시하기 위해 해결해야 할 중요한 지식 격차입니다.

이러한 공백을 메우기 위해 스탠포드의 재료 과학자들은 최근 특수 전자를 사용했습니다.미세한 기술이는 생체분자와 같은 부드러운 소위 "빔 민감성" 재료와 함께 작동하여 OMIEC의 구조적 내부 작동과 왜 그렇게 유리한 전기화학적 특성을 누리는지에 대한 보다 명확한 그림을 얻습니다.

자동차 배터리에 물이 들어가듯이,액체 전해질OMIEC 폴리머 층 사이에 주입됩니다.그만큼전해질이온이 양극과 음극 사이를 이동하여 전류를 생성하는 매체입니다.

"OMIEC 폴리머를 액체 전해질에 담그면 아코디언처럼 부풀어 오르면서도 전자 기능을 유지합니다. 우리는 폴리머 재료의 긴 분자 사슬이 늘어나고 부드럽게 구부러져 연속적인 경로를 생성할 수 있다는 것을 알게 되었습니다.재료는 전해질과 함께 300%까지 부풀어 오른다”고 공과대학 홍세 교수와 비비안 W. M. 임 교수이자 이번 연구의 수석 저자인 알베르토 살레오(Alberto Salleo)가 말했다.종이일기장에 나오는 것자연소재.

Salleo 연구실의 박사후 연구원이자 첫 번째 연구원인 Yael Tsarfati는 "이 연구는 이러한 물질의 미세 구조를 시각화하는 개념적 혁신을 나타냅니다. 이전에는 이론화만 할 수 있었지만 이제는 OMIEC가 잘 작동하게 만드는 일이 무엇인지 확인할 수 있습니다."라고 말했습니다.전자현미경 관찰의 대부분을 수행한 논문의 저자."구조적 수준에서 재료가 어떻게 작동하는지 배우는 것이 더 나은 재료를 설계하는 데 핵심입니다."

파악하기 어려운 프로세스

Salleo와 Tsarfati는 이 연구를 위해 3년 동안 노력해 왔습니다.그들은 최초로 극저온 전자 현미경(Cryo 4D-STEM)을 사용하여 전하를 호스팅하는 동안 수성 전해질에 담근 OMIEC 폴리머를 이미지화했습니다.이 유형의 현미경은 빛이 아닌 강력한 전자 빔을 사용하여 이미지를 생성하며 전자로 인한 물질 손상을 방지하기 위해 샘플을 극도로 차갑게 유지해야 합니다.

전기적으로 침수되고 충전되는 이중 응력은 폴리머 구조를 복잡하지만 중요한 방식으로 변화시킨다고 Salleo는 말합니다.이러한 응력에도 불구하고 폴리머의 성능이 어떻게 유지되는지 시각화하는 것은 커뮤니티의 흥미를 끄는 미스터리입니다.그러나 전통적인 전자 현미경으로 이러한 폴리머를 이미지화하는 것은 어려운 일이었습니다.

OMIEC가 고체 반도체라면 연구자들은 빠르게 다음으로 눈을 돌릴 것입니다.전자현미경그들의 결정 구조를 연구합니다.그러나 OMIEC는 너무 부드러워서 내부 구조를 조명하는 데 사용되는 강력한 전자빔으로 인해 관찰 중에 OMIEC가 손상됩니다.

이 새로운 현미경 기술을 사용하여 Salleo와 Tsarfati는 이제 부드럽고 가단성 있는 폴리머가 팽창하면서 구조적 무결성을 어떻게 유지하는지 확인할 수 있습니다.이제 연구팀은 OMIEC의 연성 액정 폴리머 구조가 늘어나고 구부러져 접힌 폴리머 리본 사이에 형성되는 전해질 기포 주위에 연속적인 전자 경로를 형성한다고 믿고 있습니다.

부드러운 터치

본질적으로 Cryo 4D-STEM은 연구 중인 물질을 동결시킵니다.물이 얼음으로 변하는 것처럼 전해질은 고체로 변하지 않습니다.대신 Salleo와 팀이 작동 중인 미세 구조를 볼 수 있도록 하는 다른 유리화 상태로 들어갑니다.

"고분자는 구부러지고 늘어날 수 있는 일종의 젤을 형성합니다"라고 Salleo는 설명합니다."그것은 많이, 때로는 300%까지 부풀어오를 수 있으며, 이는 대부분의 재료의 전자적 특성을 완전히 파괴할 수 있습니다. 그러나 OMIEC에서는 전자적 특성이 여전히 보존됩니다."

Tsarfati는 일단 부어오르면폴리머 사슬충전 및 방전 중에도 구조적 변화가 최소화됩니다.이는 재료 자체에 대한 변형을 최소화하면서 보다 효율적인 이온 교환으로 이어지며 전자적 관점에서 OMIEC를 매력적으로 만듭니다.

"고분자는 우리가 연구한 다른 재료에 비해 물리적 변화와 이온 삽입에 대한 인상적인 탄력성을 나타내며 이는 미래 전자 장치에 바람직한 특성입니다."라고 Tsarfati는 팀 연구의 새로운 방향을 지적하며 덧붙였습니다.