İyon jeli - Ion gel

Bir İyon jeli (veya İyonojel ), bir inorganik veya bir polimer matris ile hareketsizleştirilmiş bir iyonik sıvıdan oluşan kompozit bir malzemedir . Malzeme katı haldeyken yüksek iyonik iletkenliği koruyacak niteliktedir . Bir iyon jeli oluşturmak için katı matris, iyonik bir sıvı ile yerinde karıştırılır veya sentezlenir . Yaygın bir uygulama, iyonik bir sıvı ile çözelti içinde polimerize edilmiş bir blok kopolimer kullanmaktır , böylece iyonların seçici olarak çözülebildiği kendi kendine birleştirilmiş bir nanoyapı oluşturulur. İyon jeller ayrıca selüloz gibi kopolimer olmayan polimerler, silikon dioksit gibi oksitler veya bor nitrür gibi ateşe dayanıklı malzemeler kullanılarak da yapılabilir .

İyon Jeli Türleri

İyon jeller, kompozitteki matrisin ana bileşenine bağlı olarak iki geniş sınıfa ayrılabilir: polimerik ve inorganik. Bu geniş sınıflar, matrisin kimyasal sınıfına göre daha da alt bölümlere ayrılabilir. Tipik iyon jel uygulamalarında, matris bileşenlerinin, bir cihaz içindeki kontakları ayırmak ve tek başına iyonik iletkenlik sağlamak için elektriksel olarak yalıtkan olması istenir. Bir malzemenin matris seçimi, nihai kompozit malzemenin mekanik özelliklerinin yanı sıra iyonik iletkenlik üzerinde de sonuçlara sahiptir.

İnorganik Sınıflar:

Polimerik Sınıflar:

İyon jellerinin bu alt tipleri, bu geniş sınıftaki birçok materyali sınıflandırabilse de, yine de bu kategorilerin dışında kalan hibrit materyaller vardır. Nihai kompozitte hem esneklik hem de mukavemet sağlamak için hem polimerik hem de inorganik malzemelerle iyon jellerinin örnekleri gösterilmiştir.

Başvurular

İyon jeller gibi çok sayıda elektrikli cihaz sistemlerinde kullanılmış olan kapasitörler olarak dielektrikler olarak, izolatörler için alan etkili transistörler , ve benzeri gibi elektrolitler için lityum iyon pil . Katı hal ve yine de esnek olan iyon jelleri, biçimlendirilebilir ekranlar, sağlık izleme sistemleri ve katı hal pilleri gibi modern mobil cihazlar için çekicidir . Özellikle katı hal batarya uygulamaları için, iyon jellerin yüksek viskozitesi, anot ve katot arasında hem bir elektrolit hem de ayırıcı olarak hizmet etmek için yeterli gücü sağlar. Ayrıca, gerilim altındaki jelin viskoelastik akışı, diğer katı hal elektrolitlerine kıyasla yüksek kaliteli bir elektrot / elektrolit teması oluşturduğundan, pil uygulamalarında iyon jeller aranmaktadır.

Termal kararlılık

İyon jellerinin bozulmanın başlamasından önce 300 ° C'ye kadar devam edebildiği bilinmektedir. Yüksek sıcaklık kapasitesi, tipik olarak , geniş bir termal stabilite aralığına sahip olabilen, ancak tipik olarak en az 250 ° C'ye stabil olan , alttaki iyonik sıvı ile sınırlıdır . Bu yüksek sıcaklık stabilitesinden, lityum iyon pil hücrelerini laboratuar ölçeğinde 175 ° C'ye kadar çalıştırmak için kullanılmıştır; bu, mevcut ticari elektrolitlerin kapasitesinin çok ötesindedir.

Mekanik özellikler

İyon jellerinin çeşitliliği göz önüne alındığında, bu geniş malzeme sınıfının mekanik özellikleri geniş bir yelpazeyi kapsamaktadır. Genellikle mekanik özellikler istenen uygulamaya göre uyarlanır. Yüksek esneklik gerektiren uygulamalar, çapraz bağlı bir polimer gibi oldukça elastik bir matris malzemesini hedefler . Bu tür elastomerik malzemeler , ömürleri boyunca birçok gerilim döngüsüne maruz kalacak giyilebilir cihazlarda arzu edilen, tam iyileşme ile yüksek derecede elastik gerilim sunar. Ek olarak, bu tür malzemeler, bir süneklik derecesini gösteren arızada% 135'e kadar gerinime ulaşabilir . Daha yüksek mukavemetli iyon jeli gerektiren uygulamalarda, kompozit güçlendirme oluşturmak için genellikle refrakter bir matris kullanılır. Bu, dahili bir kısa devreye neden olabilecek hücrede lityum dendritlerin büyümesini engellemeye çalışan lityum iyon pil uygulamalarında özellikle arzu edilir . Lityum iyon pillerde yüksek modüllü, güçlü, katı elektrolitler ve lityum dendrit büyümesindeki azalma arasında bir ilişki kurulmuştur . Böylece, güçlü bir iyon jel kompoziti, dahili kısa devre arızalarını azaltarak lityum iyon pillerin ömrünü uzatabilir.

İyon jellerinin akışına karşı elastik direnç genellikle Dinamik Mekanik Spektroskopi ile ölçülür . Bu yöntem, depolama modülünün yanı sıra jelin gerilim-gerinim tepkisini tanımlayan kayıp modülünü ortaya çıkarır . Tüm iyon jelleri yarı katı ila katı hal rejimindedir, bu da depolama modülünün kayıp modülünden daha yüksek olduğunu gösterir (yani elastik davranış, enerji yayan sıvı benzeri davranışa üstün gelir). Depolama modülünün büyüklüğü ve kayıp modülüne oranı , kompozit malzemenin mukavemetini ve tokluğunu belirler . İyon jelleri için saklama modülü değerleri, tipik polimerik bazlı matrisler için yaklaşık 1.0 kPa'dan, refrakter bazlı matrisler için yaklaşık 1.0 MPa'ya kadar değişebilir.

Kompozit matrisin yapısı, nihai toplu mekanik özelliklerin sonucunda büyük bir rol oynayabilir. Bu özellikle inorganik esaslı matris malzemeleri için geçerlidir. Birkaç laboratuvar ölçekli örnek, daha küçük matris partikül boyutlarının, depolama modülünde büyüklük sıralarında artışa neden olabileceğine dair genel bir eğilim göstermiştir. Bu, matris partiküllerinin daha yüksek yüzey alanı / hacim oranına ve partikül ile hareketsizleştirilmiş iyonik sıvı arasındaki nano ölçekli etkileşimlerin daha yüksek konsantrasyonuna bağlanmıştır . İyon jel kompozitindeki bileşenler arasındaki etkileşim kuvvetleri ne kadar yüksekse, plastik deformasyon için gereken daha yüksek bir kuvvet ve genel olarak daha sert bir malzeme elde edilir.

İyon jel tasarımında bir başka serbestlik derecesi, son kompozitteki matrisin iyonik sıvıya oranındadır. Matris içindeki iyonik sıvının konsantrasyonu arttıkça, malzeme genel olarak daha sıvı benzeri hale gelecektir, bu da depolama modülündeki bir azalmaya karşılık gelir . Tersine, konsantrasyondaki bir azalma genellikle malzemeyi güçlendirecektir ve matris malzemesine bağlı olarak daha elastomerik veya kırılgan bir gerilme-gerinim tepkisi oluşturabilir. İyonik sıvıda azaltılmış bir konsantrasyondaki genel ödünleşim, genel kompozitin iyonik iletkenliğinde müteakip bir azalmadır ve bu, spesifik uygulama için optimizasyonu gerekli kılar.

Referanslar