Ионный гель
Ионный гель (или Ионогель ) представляет собой композиционный материал, состоящий из ионной жидкости , иммобилизованной неорганической или полимерной матрицей. [1] [2] [3] 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
[ редактировать ]Ионные гели можно разделить на два широких класса в зависимости от основного компонента матрицы в композите: полимерные и неорганические. [1] 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: [1]
- неметалла Оксид (например, SiO 2 )
- Функционализированный оксид неметалла
- оксид металла
- Ионная жидкость, связанная наночастицы
- Металлический органический каркас
- Огнеупорные материалы (например, нитрид бора)
Полимерные классы: [3]
- 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. [4]
Приложения
[ редактировать ]Ионные гели использовались во многих системах электрических устройств, например, в конденсаторах в качестве диэлектриков . [5] в качестве изоляторов для полевых транзисторов , [6] и в качестве электролитов для литий-ионных аккумуляторов . [1] 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. [7] Высокая вязкость ионных гелей, особенно в твердотельных батареях, обеспечивает достаточную прочность, чтобы служить как электролитом, так и сепаратором между анодом и катодом. [1] Кроме того, ионные гели востребованы в аккумуляторах, поскольку вязкоупругое течение геля под нагрузкой создает высококачественный контакт электрод/электролит по сравнению с другими твердотельными электролитами. [8]
Термическая стабильность
[ редактировать ]Известно, что ионные гели способны выдерживать температуру свыше 300 °C до начала разложения. [9] 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. [10] 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. [11]
Механические свойства
[ редактировать ]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 . [7] [9] 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 . [12] 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. [13] 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). [14] Величина модуля упругости и его отношение к модулю потерь определяют прочность и ударную вязкость композитного материала. [9] Значения модуля упругости для ионных гелей могут варьироваться от примерно 1,0 кПа для типичных матриц на полимерной основе. [15] примерно до 1,0 МПа для матриц на огнеупорной основе. [11]
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. [11] [13] Это объясняется более высоким соотношением площади поверхности к объему частиц матрицы и более высокой концентрацией наноразмерных взаимодействий между частицей и иммобилизованной ионной жидкостью . [11] 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 . [16] 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. [17] Общим компромиссом при снижении концентрации в ионной жидкости является последующее снижение ионной проводимости всего композита, что делает оптимизацию необходимой для конкретного применения. [16]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д и Чен, Нан; Чжан, Хайцинь; Ли, Ли; Чен, Ренджи; Го, Шаоцзюнь (апрель 2018 г.). «Ионогель-электролиты для высокопроизводительных литиевых батарей: обзор». Передовые энергетические материалы . 8 (12): 1702675. doi : 10.1002/aenm.201702675 . S2CID 102749351 .
- ^ Трипати, Алок Кумар (2021). «Твердые электролиты на основе ионных жидкостей (ионогели) для применения в литиевых аккумуляторных батареях». Материалы сегодня Энергия . 20 : 100643. doi : 10.1016/j.mtener.2021.100643 . S2CID 233581904 .
- ^ Перейти обратно: а б Осада, Ирен; де Врис, Хенрик; Скросати, Бруно; Пассерини, Стефано (2016). «Полимерные электролиты на основе ионных жидкостей для аккумуляторов». Angewandte Chemie, международное издание . 55 (2): 500–513. дои : 10.1002/anie.201504971 . ISSN 1521-3773 . ПМИД 26783056 .
- ^ Гийомар-Лак, Орели; Абуслеме, Хулио; Судан, Патрик; Лестриез, Бернар; Гийомар, Доминик; Бидо, Жан Ле (июнь 2014 г.). «Гибридный кремнезем-полимерный ионогелевый твердый электролит с настраиваемыми свойствами». Передовые энергетические материалы . 4 (8): 1301570. doi : 10.1002/aenm.201301570 . S2CID 94800401 .
- ^ Ён, Хансоль; Парк, Хабин; Юнг, Чолсу (31 января 2020 г.). «Квазитвердотельный гелевый полимерный электролит для широкого температурного диапазона применения суперконденсаторов на основе ацетонитрила» . Журнал источников энергии . 447 : 227390. doi : 10.1016/j.jpowsour.2019.227390 . ISSN 0378-7753 . S2CID 209710082 .
- ^ Лодж, ТП (4 июля 2008 г.). «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ: уникальная платформа для дизайна материалов». Наука . 321 (5885): 50–51. дои : 10.1126/science.1159652 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 18599764 . S2CID 206513712 .
- ^ Перейти обратно: а б Палчоудхури, Субантика; Рамасами, Картик; Гупта, Рам К.; Гупта, Арунава (2019). «Гибкие суперконденсаторы: взгляд на материалы» . Границы в материалах . 5 . дои : 10.3389/fmats.2018.00083 . ISSN 2296-8016 .
- ^ Ван, Цзыци; Тан, Руи; Ван, Хунбин; Ян, Луи; Ху, Цзянтао; Чен, Хайбяо; Пан, Фэн (январь 2018 г.). «Электролит на основе металлоорганического каркаса с наносеточными интерфейсами для твердотельных литиевых батарей с высокой плотностью энергии». Продвинутые материалы . 30 (2): 1704436. doi : 10.1002/adma.201704436 . ПМИД 29178151 . S2CID 25616925 .
- ^ Перейти обратно: а б с Чжао, Кан; Сун, Хунцзан; Дуань, Сяоли; Ван, Цзыхао; Лю, Цзяханг; Ба, Синьу (март 2019 г.). «Новый химический сшитый ионогель на основе сверхразветвленного полимера с акрилатными концевыми группами с превосходной ионной проводимостью для высокопроизводительных литий-ионных батарей» . Полимеры . 11 (3): 444. doi : 10.3390/polym11030444 . ПМК 6473542 . ПМИД 30960428 .
- ^ Левандовски, Анджей; Свидерска-Мочек, Агнешка (декабрь 2009 г.). «Ионные жидкости как электролиты для литий-ионных аккумуляторов. Обзор электрохимических исследований». Журнал источников энергии . 194 (2): 601–609. дои : 10.1016/j.jpowsour.2009.06.089 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Хён, У Джин; де Мораес, Ана СМ; Лим, Джин-Мён; Даунинг, Джулия Р.; Пак, Кю Ён; Тан, Марк Тянь Чжи; Херсам, Марк К. (27 августа 2019 г.). «Высокомодульные гексагональные нанопластинчатые гелевые электролиты из гексагонального нитрида бора для твердотельных перезаряжаемых литий-ионных батарей». АСУ Нано . 13 (8): 9664–9672. дои : 10.1021/acsnano.9b04989 . ISSN 1936-0851 . ПМИД 31318524 . S2CID 197665200 .
- ^ Го, Паньлун; Су, Аню; Вэй, Инцзинь; Лю, Сяокун; Ли, Ян; Го, Фейфан; Ли, Цзянь; Ху, Чжэньюань; Сунь, Цзюньци (29 мая 2019 г.). «Лечебные, высокопроводящие, гибкие и негорючие супрамолекулярные ионогелевые электролиты для литий-ионных батарей». Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 11 (21): 19413–19420. дои : 10.1021/acsami.9b02182 . ISSN 1944-8244 . ПМИД 31058482 . S2CID 145822146 .
- ^ Перейти обратно: а б Лу, Иньин; Корф, Кевин; Камбе, Ю; Ту, Чжэнъюань; Арчер, Линден А. (7 января 2014 г.). «Гибридные электролиты ионная жидкость-наночастицы: применение в литий-металлических батареях». Angewandte Chemie, международное издание . 53 (2): 488–492. дои : 10.1002/anie.201307137 . ПМИД 24282090 .
- ^ Франк, А. «Вязкоупругость и динамические механические испытания» (PDF) . ТА Инструменты .
- ^ Патель, Моналиса; Гнанавель, М.; Бхаттачарья, Анинда Дж. (2011). «Использование ионной жидкости для синтеза мягкого полимерного «гелевого» электролита для литий-ионных батарей с высокой емкостью» . Журнал химии материалов . 21 (43): 17419. doi : 10.1039/c1jm12269j . ISSN 0959-9428 .
- ^ Перейти обратно: а б Лу, Иньин; Моганти, Сурья С.; Шефер, Дженнифер Л.; Арчер, Линден А. (2012). «Гибридные электролиты ионная жидкость-наночастицы» . Журнал химии материалов . 22 (9): 4066. doi : 10.1039/c2jm15345a . hdl : 1813/33452 . ISSN 0959-9428 .
- ^ Ву, Фэн; Чен, Нан; Чен, Ренджи; Чжу, Цичжэнь; Тан, Гоцян; Ли, Ли (январь 2016 г.). «Саморегулируемый твердый электролит наногелатор: новый вариант повышения безопасности литиевой батареи» . Передовая наука . 3 (1): 1500306. doi : 10.1002/advs.201500306 . ПМК 5063194 . ПМИД 27774385 .