Ионный гель

Ионный гель (или Ионогель ) представляет собой композиционный материал, состоящий из ионной жидкости , иммобилизованной неорганической или полимерной матрицей. Материал обладает свойством сохранять высокую ионную проводимость в твердом состоянии. Для создания ионного геля твердую матрицу смешивают или синтезируют на месте с ионной жидкостью . Обычной практикой является использование блок-сополимера , который полимеризуется в растворе с ионной жидкостью , так что образуется самоорганизующаяся наноструктура, в которой ионы избирательно растворимы. Ионные гели также можно изготавливать с использованием несополимерных полимеров, таких как целлюлоза, оксидов, таких как диоксид кремния , или тугоплавких материалов, таких как нитрид бора .

Виды ионных гелей

Ионные гели можно разделить на два широких класса в зависимости от основного компонента матрицы в композите: полимерные и неорганические. Эти широкие классы можно дополнительно подразделить в зависимости от химического класса матрицы. В типичных приложениях ионного геля желательно, чтобы компоненты матрицы были электроизолирующими для разделения контактов внутри устройства и обеспечения только ионной проводимости. Выбор матрицы материала влияет на ионную проводимость, а также на механические свойства конечного композиционного материала.

Неорганические классы:

• неметалла Оксид (например, SiO ₂ )
• Функционализированный оксид неметалла
• оксид металла
• Ионная жидкость, связанная наночастицы
• Металлический органический каркас
• Огнеупорные материалы (например, нитрид бора)

Полимерные классы:

• Поли(этиленоксид)
• Поли(метилметакрилат)
• Поли(винилиденфторид)
• Поли(этиленгликоль)диакрилат
• Поли(акрилонитрил)

Хотя эти подтипы ионных гелей позволяют отнести многие материалы к этому широкому классу, все еще существуют гибридные материалы, которые выходят за рамки этой классификации. Были продемонстрированы примеры использования ионных гелей как с полимерными, так и с неорганическими материалами, обеспечивающими гибкость и прочность конечного композита.

Приложения

Ионные гели использовались во многих системах электрических устройств, например, в конденсаторах в качестве диэлектриков . в качестве изоляторов для полевых транзисторов , и в качестве электролитов для литий-ионных аккумуляторов . Твердотельная и в то же время гибкая форма ионных гелей привлекательна для современных мобильных устройств, таких как формируемые экраны, системы мониторинга состояния здоровья и твердотельные аккумуляторы. Высокая вязкость ионных гелей, особенно в твердотельных батареях, обеспечивает достаточную прочность, чтобы служить как электролитом, так и сепаратором между анодом и катодом. Кроме того, ионные гели востребованы в аккумуляторах, поскольку вязкоупругое течение геля под нагрузкой создает высококачественный контакт электрод/электролит по сравнению с другими твердотельными электролитами.

Термическая стабильность

Известно, что ионные гели способны выдерживать температуру свыше 300 °C до начала разложения. Способность к высоким температурам обычно ограничивается лежащей в основе ионной жидкостью , которая может иметь широкий диапазон термической стабильности, но обычно стабильна как минимум до 250 °C. Эта высокая температурная стабильность была использована для работы литий-ионных аккумуляторных элементов в лабораторных условиях при температуре до 175 °C, что значительно превосходит возможности современных коммерческих электролитов.

Механические свойства

Учитывая разнообразие ионных гелей, механические свойства этого широкого класса материалов охватывают широкий диапазон. Часто механические свойства адаптируются к желаемому применению. Приложения, требующие высокой гибкости, ориентированы на высокоэластичный матричный материал, такой как сшитый полимер . Эти типы эластомерных материалов обеспечивают высокую степень упругой деформации с полным восстановлением, что желательно для носимых устройств, которые в течение своего срока службы подвергаются множеству циклов нагрузки. Кроме того, эти типы материалов могут достигать деформации при разрушении до 135%, что указывает на степень пластичности . В тех случаях, когда требуется более прочный ионный гель, часто используется огнеупорная матрица для упрочнения композита. Это особенно желательно при использовании литий-ионных аккумуляторов , которые стремятся сдержать рост литиевых дендритов в элементе, что может привести к внутреннему короткому замыканию . установлена ​​связь В литий-ионных батареях между высокомодульными, сильными твердыми электролитами и уменьшением роста дендритов лития. Таким образом, сильноионный гель-композит может увеличить срок службы литий-ионных батарей за счет уменьшения внутренних отказов от короткого замыкания.

Упругое сопротивление течению ионных гелей часто измеряют с помощью динамической механической спектроскопии . Этот метод позволяет выявить модуль упругости , а также модуль потерь , которые определяют реакцию геля на растяжение-деформацию. Все ионные гели находятся в режиме от квазитвердого до твердого состояния, что указывает на то, что модуль упругости выше, чем модуль потерь (т.е. упругое поведение преобладает над поведением, подобным жидкости, рассеивающим энергию). Величина модуля упругости и его отношение к модулю потерь определяют прочность и ударную вязкость композитного материала. Значения модуля упругости для ионных гелей могут варьироваться от примерно 1,0 кПа для типичных матриц на полимерной основе. примерно до 1,0 МПа для матриц на огнеупорной основе.

Структура композитной матрицы может играть большую роль в определении окончательных объемных механических свойств. Это особенно справедливо для матричных материалов на неорганической основе. Несколько примеров в лабораторном масштабе продемонстрировали общую тенденцию, согласно которой меньшие размеры частиц матрицы могут привести к увеличению модуля упругости на порядки. Это объясняется более высоким соотношением площади поверхности к объему частиц матрицы и более высокой концентрацией наноразмерных взаимодействий между частицей и иммобилизованной ионной жидкостью . Чем выше силы взаимодействия между компонентами ионно-гелевого композита, тем выше сила, необходимая для пластической деформации , и в целом получается более жесткий материал.

Другая степень свободы в дизайне ионного геля заключается в соотношении матрицы и ионной жидкости в конечном композите. По мере увеличения концентрации ионной жидкости в матрице материал в целом станет более жидким, что соответствует уменьшению модуля упругости . И наоборот, уменьшение концентрации обычно приводит к упрочнению материала и, в зависимости от материала матрицы, может привести к более эластомерной или хрупкой реакции напряжения-деформации. Общим компромиссом при снижении концентрации в ионной жидкости является последующее снижение ионной проводимости всего композита, что делает оптимизацию необходимой для конкретного применения.