WikiDer > Ионный гель

Ion gel

An Ионный гель (или же Ионгель) представляет собой композитный материал, состоящий из ионная жидкость иммобилизован неорганической или полимерной матрицей.[1][2] Материал сохраняет высокое качество. ионная проводимость пока в твердом состоянии. Для создания ионного геля твердая матрица смешивается или синтезируется на месте с ионная жидкость. Распространенной практикой является использование блок-сополимер который полимеризуется в растворе с ионная жидкость так что образуется самособирающаяся наноструктура, в которой ионы селективно растворяются. Ионные гели также могут быть изготовлены с использованием несополимерных полимеров, таких как целлюлоза, оксидов, таких как диоксид кремния или огнеупорные материалы, такие как нитрид бора.

Типы ионных гелей

Ионные гели можно разделить на два широких класса в зависимости от основного компонента матрицы в композите: полимерные и неорганические.[1] Эти широкие классы могут быть далее подразделены на основе химического класса матрицы. В типичных применениях ионного геля желательно, чтобы компоненты матрицы были электрически изолирующими, чтобы разделять контакты внутри устройства и обеспечивать только ионную проводимость. Выбор матрицы материала имеет разветвления на ионную проводимость, а также на механические свойства конечного композитного материала.

Неорганические классы:[1]

Полимерные классы:[2]

Хотя эти подтипы ионных гелей могут отнести многие материалы к этому широкому классу, все же существуют гибридные материалы, которые не попадают в эти категории. Были продемонстрированы примеры ионных гелей как с полимерными, так и с неорганическими материалами для обеспечения гибкости и прочности конечного композита.[3]

Приложения

Ионные гели использовались во многих системах электрических устройств, таких как конденсаторы в качестве диэлектрики,[4] в качестве изоляторы за полевые транзисторы,[5] и, как электролиты за литий-ионные батареи.[1] Твердотельная и все же гибкая форма ионных гелей привлекательна для современных мобильных устройств, таких как формируемые экраны, системы мониторинга здоровья и твердотельные батареи.[6] Высокая вязкость ионных гелей обеспечивает достаточную прочность для использования в качестве электролита и разделителя между анодом и катодом, особенно для твердотельных батарей.[1] Кроме того, ионные гели востребованы в аккумуляторных батареях, поскольку вязкоупругий поток геля под напряжением создает высококачественный контакт электрод / электролит по сравнению с другими твердотельными электролитами.[7]

Термическая стабильность

Известно, что ионные гели способны выдерживать температуру выше 300 ° C до начала разложения.[8] Способность к высоким температурам обычно ограничивается лежащими в основе ионная жидкость, которые могут иметь широкий диапазон термической стабильности, но обычно стабильны как минимум до 250 ° C.[9] Эта высокая температурная стабильность была использована для работы литий-ионных аккумуляторных элементов в лабораторных условиях при температуре до 175 ° C, что значительно превышает возможности существующих коммерческих электролитов.[10]

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, нацелены на высокоэластичный матричный материал, такой как сшитый полимер.[6][8] Эти типы эластомерный материалы предлагают высокую степень эластичный напряжение с полным восстановлением, что желательно для носимых устройств, которые в течение своего срока службы претерпевают множество циклов нагрузки. Кроме того, эти типы материалов могут достигать 135% деформации при разрушении, что указывает на степень пластичность.[11] В приложениях, где требуется более прочный ионный гель, часто используется огнеупорная матрица для усиления композитного материала. Это особенно желательно в литий-ионный аккумулятор приложения, которые стремятся сдержать рост лития дендриты в ячейке, что может привести к внутреннему короткое замыкание. Отношения были установлены в литий-ионные батареи между высокомодульными прочными твердыми электролитами и уменьшением роста дендритов лития.[12] Таким образом, прочный ионно-гелевый композит может увеличить срок службы литий-ионных аккумуляторов за счет уменьшения количества внутренних коротких замыканий.

Упругое сопротивление потоку ионных гелей часто измеряют через Динамическая механическая спектроскопия. Этот метод выявляет модуль упругости так же хорошо как модуль потерь, которые определяют реакцию геля на напряжение-деформацию. Все ионные гели находятся в режиме от квазитвердого до твердого, что указывает на то, что модуль упругости выше, чем модуль потерь (т.е. упругое поведение преобладает над жидким, рассеивающим энергию).[13] Величина накопительного модуля и его отношение к модулю потерь определяют прочность и стойкость из композитного материала.[8] Модуль упругости значения для ионных гелей могут варьироваться от примерно 1,0 кПа для типичных матриц на полимерной основе.[14] до приблизительно 1,0 МПа для тугоплавких на основе матриц.[10]

Структура композитной матрицы может играть большую роль в конечных объемных механических свойствах. Это особенно верно для матричных материалов на неорганической основе. Несколько лабораторных примеров продемонстрировали общую тенденцию, заключающуюся в том, что меньшие размеры частиц матрицы могут привести к увеличению модуля упругости на порядки величины.[10][12] Это объясняется более высоким отношением площади поверхности к объему частиц матрицы и более высокой концентрацией наноразмерных взаимодействий между частицей и иммобилизованным телом. ионная жидкость.[10] Чем выше силы взаимодействия между компонентами ионно-гелевого композита, тем выше сила, необходимая для Пластическая деформация и в целом более жесткий материал.

Другая степень свободы в конструкции ионного геля заключается в соотношении матрицы и ионной жидкости в конечном композите. По мере того, как концентрация ионной жидкости в матрице увеличивается, материал в целом становится более жидким, что соответствует уменьшению модуль упругости.[15] И наоборот, уменьшение концентрации обычно упрочняет материал и, в зависимости от материала матрицы, может вызывать более эластичный или хрупкий отклик напряжения-деформации.[16] Общим компромиссом при пониженной концентрации в ионной жидкости является последующее снижение ионной проводимости всего композита, что делает оптимизацию необходимой для конкретного применения.[15]

Рекомендации

  1. ^ а б c d е Чен, Нан; Чжан, Хайцинь; Ли, Ли; Чен, Ренджи; Го, Шаоцзюнь (апрель 2018 г.). «Ионогелевые электролиты для высокоэффективных литиевых батарей: обзор». Современные энергетические материалы. 8 (12): 1702675. Дои:10.1002 / aenm.201702675.
  2. ^ а б Осада, Ирэн; де Вриз, Хенрик; Скросати, Бруно; Пассерини, Стефано (2016). «Полимерные электролиты на основе ионной жидкости для аккумуляторных батарей». Angewandte Chemie International Edition. 55 (2): 500–513. Дои:10.1002 / anie.201504971. ISSN 1521-3773. PMID 26783056.
  3. ^ Гийомар-Лак, Орели; Абуслеме, Хулио; Судан, Патрик; Лестриес, Бернар; Гийомар, Доминик; Бидо, Жан Ле (июнь 2014 г.). «Гибридный твердый электролит из диоксида кремния и полимера-ионогеля с настраиваемыми свойствами». Современные энергетические материалы. 4 (8): 1301570. Дои:10.1002 / aenm.201301570.
  4. ^ Йонг, Хансоль; Парк, Хабин; Юнг, Чеолсу (31 января 2020 г.). «Квазитвердотельный гелевый полимерный электролит для суперконденсаторов на основе ацетонитрила в широком диапазоне температур». Журнал источников энергии. 447: 227390. Дои:10.1016 / j.jpowsour.2019.227390. ISSN 0378-7753.
  5. ^ Лодж, Т. П. (2008-07-04). «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ: Уникальная платформа для дизайна материалов». Наука. 321 (5885): 50–51. Дои:10.1126 / science.1159652. ISSN 0036-8075. PMID 18599764.
  6. ^ а б Палчоудхури, Субантика; Рамасами, Картик; Гупта, Рам К .; Гупта, Арунава (2019). «Гибкие суперконденсаторы: перспективы материалов». Границы в материалах. 5. Дои:10.3389 / фматс.2018.00083. ISSN 2296-8016.
  7. ^ Ван, Цзыци; Тан, Руи; Ван, Хунбинь; Ян, Луи; Ху, Цзянтао; Чен, Хайбяо; Пан, Фэн (январь 2018). «Электролит на основе металл-органический каркас с нановолоконными интерфейсами для твердотельных литиевых батарей с высокой плотностью энергии». Современные материалы. 30 (2): 1704436. Дои:10.1002 / adma.201704436. PMID 29178151.
  8. ^ а б c Чжао, Кан; Сун, Хунцзан; Дуань, Сяоли; Ван, Цзыхао; Лю, Цзяхан; Ба, Синьву (март 2019 г.). «Новый химический ионогель с поперечными связями на основе гиперразветвленного полимера с акрилатными концевыми группами с превосходной ионной проводимостью для высокоэффективных литий-ионных батарей». Полимеры. 11 (3): 444. Дои:10.3390 / polym11030444. ЧВК 6473542. PMID 30960428.
  9. ^ Левандовски, Анджей; Швидерска-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.
  10. ^ а б c d Хён, У Джин; de Moraes, Ana C.M .; Лим, Джин-Мён; Даунинг, Джулия Р .; Пак, Кю-Ён; Тан, Марк Тиан Чжи; Херсам, Марк К. (27.08.2019). «Высокомодульные гексагональные гексагональные гелевые электролиты из гексагонального нитрида бора для твердотельных литий-ионных аккумуляторов». САУ Нано. 13 (8): 9664–9672. Дои:10.1021 / acsnano.9b04989. ISSN 1936-0851. PMID 31318524.
  11. ^ Го, Панлун; Су, Аню; Вэй, Инцзинь; Лю, Сяокун; Ли, Ян; Го, Фейфань; Ли, Цзянь; Ху, Чжэньюань; Вс, Цзюньци (29.05.2019). «Целебные, 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. PMID 31058482.
  12. ^ а б Лу, Иньин; Корф, Кевин; Kambe, Yu; Ту Чжэнъюань; Арчер, Линден А. (07.01.2014). «Гибридные электролиты ионно-жидких наночастиц: применение в литий-металлических батареях». Angewandte Chemie International Edition. 53 (2): 488–492. Дои:10.1002 / anie.201307137. PMID 24282090.
  13. ^ Франк, А. «Вязкоупругость и динамические механические испытания» (PDF). Инструменты ТА.
  14. ^ Патель, Моналиса; Gnanavel, M .; Бхаттачарья, Анинда Дж. (2011). «Использование ионной жидкости для синтеза мягкого полимерного« гелевого »электролита для литий-ионных аккумуляторов высокой емкости». Журнал химии материалов. 21 (43): 17419. Дои:10.1039 / c1jm12269j. ISSN 0959-9428.
  15. ^ а б Лу, Иньин; Moganty, Surya S .; Шефер, Дженнифер Л .; Арчер, Линден А. (2012). «Гибридные электролиты ионной жидкости и наночастиц». Журнал химии материалов. 22 (9): 4066. Дои:10.1039 / c2jm15345a. HDL:1813/33452. ISSN 0959-9428.
  16. ^ Ву, Фэн; Чен, Нан; Чен, Ренджи; Чжу, Цичжэнь; Тан, Гоцян; Ли, Ли (январь 2016 г.). «Саморегулирующийся твердый электролит с наногельаторами: новый способ повысить безопасность литиевой батареи». Передовая наука. 3 (1): 1500306. Дои:10.1002 / advs.201500306. ЧВК 5063194. PMID 27774385.