Elektrode-polymeerinterfaces kunnen de eigenschappen van dunne films dicteren, inclusief hun capaciteit, elektrisch veld, en ladingsvervoer, maar wetenschappers blijven hun grensvlakdynamiek volledig begrijpen. In een nieuw verslag over wetenschappelijke vooruitgang , Rajiv Kumar, en een team van interdisciplinaire wetenschappers in de VS en Polen onderzochten geëlektrificeerde interfaces van een op imidazolium gebaseerde gepolymeriseerde ionische vloeistof (PolyIL) om de door elektrische velden geïnduceerde transformaties op het elektrode-polymeer-interface te begrijpen. Om dit te behalen, ze gebruikten combinaties van breedband diëlektrische spectroscopie (BDS), spiegelende neutronenreflectiviteit en moleculaire dynamica-simulaties. De capaciteit was afhankelijk van de aangelegde spanning, die voortkwam uit de reacties van een geadsorbeerde polymeerlaag. Het werk zal inzicht verschaffen in functies die de structuur en eigenschappen van elektrode-polymeerinterfaces beïnvloeden om energieopslag- en oogstapparatuur van de volgende generatie te ontwerpen.

De elektrische dubbellaags (EDL) is een universeel kenmerk van geëlektrificeerde interfaces die alle ionische materialen gemeen hebben en die zich spontaan vormen om elektrische energie op te slaan in apparaten zoals supercondensatoren. Wetenschappers proberen de correlaties tussen de structuur en eigenschappen van EDL's te begrijpen om apparaatkenmerken te controleren, inclusief de capaciteit van elektrochemische opslagapparaten, en laad- en ontlaadsnelheden van batterijen. Onderzoek in de afgelopen twee decennia heeft zich gericht op het begrijpen van de structurele veranderingen van EDL's in een aangelegd elektrisch veld ten opzichte van ladingsopslageigenschappen. De resultaten hebben een wisselwerking aangetoond tussen elektrostatica en crowding-effecten die verantwoordelijk zijn voor de anatomie van de EDL's in ionische vloeistoffen (IL's). Echter, er is relatief weinig bekend over de capaciteit van polymere elektrolyten zoals gepolymeriseerde ionische vloeistoffen (PolyIL's) die veelbelovende oplosmiddelvrije organische elektrolyten vormen voor toepassingen in batterijen, zonnepanelen, actuatoren en supercondensatoren. De PolyIL's hebben ook afstembare mechanische eigenschappen met een hoge stabiliteit en zijn niet-ontvlambaar.

Wanneer een voorspanning wordt aangelegd over een ionische vloeistof, wetenschappers verwachten dat de kationen naar de negatieve elektrode migreren en dat de anionen naar de positief geladen elektrode migreren om een ​​EDL (elektrische dubbellaag) op beide elektroden te vormen. Echter, de structuur van een EDL in PolyIL's is momenteel niet duidelijk, hoewel simulaties van moleculaire dynamica inzichten hebben geboden met wisselende resultaten voor ionische vloeistoffen. Kumar et al. onderzocht daarom de elektrode-polymeer-interfaces van een positief geladen op imidazolium gebaseerde PolyIL met bis (trifluormethaan) sulfonimide als tegenionen. Ze gebruikten combinaties van breedband diëlektrische spectroscopie (BDS) en modelleerden de elektrodepolarisatieverschijnselen via de Rayleighiaanse benadering om de capaciteit van elektrode-polymeerinterfaces te verkrijgen en gebruikten de informatie om de opslageigenschappen van het apparaat te verbeteren.

Breedband diëlektrische spectroscopie metingen

Het team verkreeg representatieve breedband diëlektrische spectroscopie (BDS) metingen bij verschillende frequenties ten opzichte van de aangelegde gelijkstroom (DC) spanningen. Met behulp van het experimentele protocol, ze varieerden de aangelegde spanning om spectra te verkrijgen die drie verschillende regio's bevatten. Doorgaans kunnen onderzoekers de dikte van geadsorbeerde en diffuse lagen en capaciteit bepalen via impedantiespectroscopie en door te passen met equivalente elektrische circuitmodellen. Hoewel nuttig, de fysieke interpretatie van geëxtraheerde hoeveelheden op basis van equivalente circuits kan uitdagingen opleveren. Kumar et al. gebruikte daarom een ​​elektrodepolarisatiemodel om de capaciteit uit de BDS-spectra te extraheren op basis van een eerder bedachte Rayleighiaanse benadering.

Vervolgens namen ze aan dat elke elektrode in het model een laag van laag-diëlektrisch materiaal zou hebben in contact met de polymere film met een uniforme statische diëlektrische constante. Het team gebruikte het model om de kinetiek van opladen in vergelijkbare PolyIL's te interpreteren op basis van spectroscopiemetingen, die in uitstekende overeenstemming waren met op pulsveldgradiënt-nucleaire magnetische resonantie (PFG-NMR) gebaseerde metingen. Met behulp van het model, de wetenschappers extraheren de schijnbare dikte van de laag-diëlektrische laag en de lengteschaal van wederzijdse diffusie voor de PolyIL-films. De dikte van de lage diëlektrische laag had een niet-monotone afhankelijkheid van de aangelegde spanning, die toenam met de toenemende gelijkspanning.

Capaciteit-spanningscurven

Het team verkreeg kameelvormige capaciteits-spanningscurven met overeenkomsten met die voorspeld in atomistische moleculaire dynamica-simulaties van ionische vloeistoffen op ruwe oppervlakken. Zowel de silicium- als de metalen elektrode-oppervlakken die in het onderzoek werden gebruikt, hadden vooraf geadsorbeerde lagen waarvan de spanningsafhankelijkheid de capaciteit dicteerde. Veranderingen in de aangelegde spanning transformeerden daarom de geadsorbeerde laag om de capaciteit-spanningsrelatie te bepalen, benadrukt het belang van de kwaliteit en chemie van de voorgeadsorbeerde laag om efficiënte energieopslagapparaten te ontwerpen. Het team gebruikte een minimaal model met vereenvoudigende aannames en numerieke vergelijkingen die in het onderzoek zijn afgeleid om de capaciteit-spanningsrelaties van BDS-metingen te construeren.

Op deze manier, Rajiv Kumar and colleagues studied electrode PolyIL (polymerized ionic liquid) surfaces with broadband dielectric spectroscopy measurements, neutron reflectometry and modelling based approaches. They noted the presence of a pre-adsorbed layer at the electrode, which dictated the measured impedance and capacitance of the electrode-PolyIL interfaces. They expect the pre-adsorbed layer of the electrode polarization model to be present in most other films containing similarly charged PolyILs and substantially contribute to the capacitance. The scientists expect the phenomenon to improve energy storage and harvesting device applications.

© 2020 Wetenschap X Netwerk