Сульфокатионитные мембраны Инион, пластифицированные пропиленкарбонатом

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Быстроразвивающаяся сфера применения портативных источников энергии требует поиска и разработки эффективных материалов для таких устройств. Для повышения безопасности самых распространенных металл-ионных аккумуляторов (литий- и натрий-ионных) вместо жидкого электролита предлагается использовать гель-полимерный электролит с униполярной проводимостью на основе Нафион-подобного электролита (Инион), пластифицированного апротонными растворителями. В работе представлены результаты исследования термической стабильности, молекулярной и надмолекулярной упаковки, а также ионной проводимости мембраны Инион в литиевой и натриевой формах, пластифицированных пропиленкарбонатом, с применением методов синхронного термического анализа, ИК-спектроскопии, малоуглового рентгеновского рассеяния и импедансной спектроскопии.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Р. Р. Каюмов

Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: shmygleval@mail.ru
Россия, Черноголовка

А. А. Лочина

Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии Российской академии наук; Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)

Email: shmygleval@mail.ru
Россия, Черноголовка; Долгопрудный

А. Н. Лапшин

Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии Российской академии наук

Email: shmygleval@mail.ru
Россия, Черноголовка

А. В. Бакиров

Институт синтетических полимерных материалов им. Н.С. Ениколопова Российской академии наук; Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”

Email: shmygleval@mail.ru
Россия, Москва; Москва

Л. В. Шмыглева

Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии Российской академии наук

Email: shmygleval@mail.ru
Россия, Черноголовка

Список литературы

  1. Elbinger L., Enke M., Ziegenbalg N., Brendel J.C., Schubert U.S. // Energy Storage Mater. 2024. V. 65. P. 103063. doi: 10.1016/j.ensm.2023.103063.
  2. Gao X., Yang J., Xu Z., Nuli Y., Wang J. // Energy Storage Mater. 2023. V. 54. P. 382. doi: 10.1016/j.ensm.2022.10.046.
  3. Liu Y., Zhao C., Du J., Zhang X., Chen A., Zhang Q. // Small. 2023. V. 19. doi: 10.1002/smll.202205315.
  4. Sun B., Sun Z., Yang Y., Huang X.L., Jun S.C., Zhao C., Xue J., Liu S., Liu H.K., Dou S.X. // ACS Nano. 2024. V. 18. P. 28. doi: 10.1021/acsnano.3c08240.
  5. Aslfattahi N., Samylingam L., Kiai M.S., Kadirgama K., Kulish V., Schmirler M., Said Z. // J. Energy Storage. 2023. V. 72. P. 108781. doi: 10.1016/j.est.2023.108781.
  6. Doyle M., Fuller T.F., Newman J. // Electrochim. Acta. 1994. V. 39. P. 2073. doi: 10.1016/0013-4686(94)85091-7.
  7. Zhang H., Li C., Piszcz M., Coya E., Rojo T., Rodriguez-Martinez L.M., Armand M., Zhou Z. // Chem. Soc. Rev. 2017. V. 46. P. 797. doi: 10.1039/c6cs00491a.
  8. Gao J., Sun C., Xu L., Chen J., Wang C., Guo D., Chen H. // J. Power Sources. 2018. V. 382. P. 179. doi: 10.1016/j.jpowsour.2018.01.063.
  9. Cao C., Wang H., Liu W., Liao X., Li L. // Int. J. Hydrogen Energy. 2014. V. 39. P. 16110. doi: 10.1016/j.ijhydene.2013.12.119.
  10. Liang H.Y., Qiu X.P., Zhang S.C., Zhu W.T., Chen L.Q. // J. Appl. Electrochem. 2004. V. 34. P. 1211. doi: 10.1007/s10800-004-1767-0.
  11. Nicotera I., Simari C., Agostini M., Enotiadis A., Brutti S. // J. Phys. Chem. C. 2019. V. 123. P. 27406. doi: 10.1021/acs.jpcc.9b08826.
  12. Simari C., Tuccillo M., Brutti S., Nicotera I. // Electrochim. Acta. 2022. V. 410. P. 139936. doi: 10.1016/j.electacta.2022.139936.
  13. Воропаева Д.Ю., Новикова С.А., Ярославцев А.Б. // Успехи химии. 2020. Т. 89. С. 1132..(англоязычная версия: Voropaeva D.Y., Novikova S.A., Yaroslavtsev A.B. // Russ. Chem. Rev. 2020. V. 89. P. 1132. doi: 10.1070/rcr4956)
  14. Kulova T., Skundin A., Chekannikov A., Novikova S., Stenina I., Kudryashova Y., Sinenko G. // Int. J. Electrochem. Sci. 2019. V. 14. P. 1451. doi: 10.20964/2019.02.10.
  15. Kulova T., Skundin A., Chekannikov A., Novikova S., Voropaeva D., Yaroslavtsev A. // Batteries. 2018. V. 4. P. 61. doi: 10.3390/batteries4040061.
  16. Воропаева Д.Ю., Ярославцев А.Б. // Мембраны и мембранные технологии. 2022. T. 12. С. 315. (англоязычная версия: Voropaeva D.Y., Yaroslavtsev A.B. // Membr. Membr. Technol. 2022. V. 4. P. 276. doi: 10.1134/S2517751622040102)
  17. Novikova S.A., Voropaeva D.Y., Yaroslavtsev A.B. // Inorg. Mater. 2022. V. 58. P. 333. doi: 10.1134/S0020168522040124.
  18. Yan T., Li F., Xu C., Fang H.-T. // Electrochim. Acta. 2022. V. 410. P. 140004. doi: 10.1016/j.electacta.2022.140004.
  19. Voropaeva D.Y., Safronova E.Y., Novikova S.A., Yaroslavtsev A.B. // Mendeleev Commun. 2022. V. 32. P. 287. doi: 10.1016/j.mencom.2022.05.001.
  20. Kayumov R.R., Radaeva A.P., Nechaev G.V., Lochina A.A., Lapshin A.N., Bakirov A.V., Glukhov A.A., Shmygleva L.V. // Solid State Ionics. 2023. V. 399. P. 116294. doi: 10.1016/j.ssi.2023.116294.
  21. Каюмов Р.Р., Радаева А.П., Крупина А.А., Тарусина А.А., Лапшин А.Н., Шмыглева Л.В. // Хим. Физика. 2023. Т. 42. С. 23. (англоязычная версия: Kayumov R.R., Radaeva A.P., Krupina A.A., Tarusina K.A., Lapshin A.N., Shmygleva L. V. // Russ. J. Phys. Chem. B. 2023. V. 17. P. 801. doi: 10.1134/S1990793123040097).
  22. Krupina A.A., Kayumov R.R., Nechaev G. V, Lapshin A.N., Shmygleva L. V // Membranes. 2022. V. 12. P. 840. doi: 10.3390/membranes12090840.
  23. Voropaeva D., Novikova S., Stenina I., Yaroslavtsev A. // Polymers. 2023. V. 15. P. 4340. doi: 10.3390/polym15224340.
  24. Bushkova O. V, Sanginov E.A., Chernyuk S.D., Kayumov R.R., Shmygleva L.V., Dobrovolsky Yu.A., Yaroslavtsev A.B. // Membr. Membr. Technol. 2022. V. 4. P. 433. doi: 10.1134/S2517751622070010.
  25. Voropaeva D., Novikova S., Xu T., Yaroslavtsev A. // J. Phys. Chem. B. 2019. V. 123. P. 10217. doi: 10.1021/acs.jpcb.9b08555.
  26. Prikhno I.A., Ivanova K.A., Don G.M., Yaroslavtsev A.B. // Mendeleev Commun. 2018. V. 28. P. 657. doi: 10.1016/j.mencom.2018.11.033.
  27. Mugtasimova K.R., Melnikov A.P., Galitskaya E.A., Ryzhkin I.A., Ivanov D.A., Sinitsyn V. V. // Key Eng. Mater. 2020. V. 869. P. 367. doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/KEM.869.367' target='_blank'>www.scientific.net/KEM.869.367.
  28. Kusoglu A., Weber A.Z. // Chem. Rev. 2017. V. 117. P. 987. doi: 10.1021/acs.chemrev.6b00159.
  29. Sanginov E.A., Kayumov R.R., Shmygleva L. V., Lesnichaya V.A., Karelin A.I., Dobrovolsky Y.A. // Solid State Ionics. 2017. V. 300. P. 26. doi: 10.1016/j.ssi.2016.11.017.
  30. Doyle M., Lewittes M.E., Roelofs M.G., Perusich S.A., Lowrey R.E. // J. Memb. Sci. 2001. V. 184. P. 257. doi: 10.1016/S0376-7388(00)00642-6.
  31. Voropaeva D., Safronova E., Novikova S., Yaroslavtsev A. // J. Phys. Chem. C. 2024. V. 128. P. 4143. doi: 10.1021/acs.jpcc.3c07673
  32. Каюмов Р.Р., Шмыглева Л.В., Евщик Е.Ю., Сангинов Е.А., Попов Н.А., Бушкова О.В., Добровольский Ю.А. // Электрохимия. 2021. Т. 57. С. 507. (англоязычная версия: Kayumov R.R., Shmygleva L. V., Evshchik E.Y., Sanginov E.A., Popov N.A., Bushkova O.V., Dobrovolsky Y.A. // Russ. J. Electrochem. 2021. V. 57. P. 911. doi: 10.1134/s1023193521060045)
  33. Сангинов Е.А., Евщик Е.Ю., Каюмов Р.Р., Добровольский Ю.А. // Электрохимия. 2015. Т. 51. С. 1115. (англоязычная версия: Sanginov E.A., Evshchik E.Y., Kayumov R.R., Dobrovol’skii Y.A. // Russ. J. Electrochem. 2015. V. 51. P. 986. doi: 10.1134/S1023193515100122).
  34. Voropaeva D.Y., Novikova S.A., Kulova T.L., Yaroslavtsev A.B. // Solid State Ionics. 2018. V. 324. P. 28. doi: 10.1016/j.ssi.2018.06.002.
  35. Sanginov E.A., Borisevich S.S., Kayumov R.R., Istomina A.S., Evshchik E.Y., Reznitskikh O.G., Yaroslavtseva T.V., Melnikova T.I., Dobrovolsky Y.A., Bushkova O.V. // Electrochim. Acta. 2021. V. 373. P. 137914. doi: 10.1016/j.electacta.2021.137914.
  36. Ponrouch A., Monti D., Boschin A., Steen B., Johansson P., Palacín M.R. // J. Mater. Chem. A. 2015. V. 3. P. 22. doi: 10.1039/c4ta04428b.
  37. Eshetu G.G., Elia G.A., Armand M., Forsyth M., Komaba S., Rojo T., Passerini S. // Adv. Energy Mater. 2020. V. 10. P. 2000093. doi: 10.1002/aenm.202000093.
  38. Li Z.-Y., Li Z., Fu J.-L., Guo X. // Rare Met. 2023. V. 42. P. 1. doi: 10.1007/s12598-022-02132-9.
  39. Lai H., Lu Y., Zha W., Hu Y., Zhang Y., Wu X., Wen Z. // Energy Storage Mater. 2023. V. 54. P. 478. doi: 10.1016/j.ensm.2022.10.032
  40. Gebert F., Knott J., Gorkin III R., Chou S.L., Dou S.X. // Energy Storage Mater. 2021. V. 36. P. 10. doi: 10.1016/j.ensm.2020.11.030
  41. Swiderska-Mocek A., Jakobczyk P., Lewandowski A. // J. Solid State Electrochem. 2017. V. 21. P. 2825. doi: 10.1007/s10008-017-3609-0.
  42. Qin M., Zeng Z., Cheng S., Xie J. // Interdiscip. Mater. 2023. V. 2. P. 308. doi: 10.1002/idm2.12077.
  43. Noerochim L., Prabowo R.S., Widyastuti W., Susanti D., Subhan A., Idris N.H. // Batteries. 2023. V. 9. P. 38. doi: 10.3390/batteries9010038.
  44. Ponrouch A., Dedryvère R., Monti D., Demet A.E., Ateba Mba J.M., Croguennec L., Masquelier C., Johansson P., Palacín M.R. // Energy Environ. Sci. 2013. V. 6. P. 2361. doi: 10.1039/c3ee41379a.
  45. Ponrouch A., Marchante E., Courty M., Tarascon J.-M., Palacín M.R. // Energy Environ. Sci. 2012. V. 5. P. 8572. doi: 10.1039/c2ee22258b.
  46. Shakourian-Fard M., Kamath G., Smith K., Xiong H., Sankaranarayanan S.K.R.S. // J. Phys. Chem. C. 2015. V. 119. P. 22747. doi: 10.1021/acs.jpcc.5b04706.
  47. Kayumov R.R., Sanginov E.A., Shmygleva L. V., Radaeva A.P., Karelin A.I., Zyubin A.S., Zyubina T.S., Anokhin D. V., Ivanov D.A., Dobrovolsky Y.A. // J. Electrochem. Soc. 2019. V. 166. P. F3216. doi: 10.1149/2.0261907jes.
  48. Istomina A.S., Yaroslavtseva T. V., Reznitskikh O.G., Kayumov R.R., Shmygleva L. V., Sanginov E.A., Dobrovolsky Y.A., Bushkova O. V. // Polymers. 2021. V. 13. doi: 10.3390/polym13071150.
  49. Su L., Darling R.M., Gallagher K.G., Xie W., J.L., Badel A.F., Barton J.L., Cheng K.J., Balsara N.P., Moore J.S., et al. // J. Electrochem. Soc. 2016. V. 163. P. A5253. doi: 10.1149/2.03211601jes.
  50. Feldheim D.L., Lawson D.R., Martin C.R. // J. Polym. Sci. Part B Polym. Phys. 1993. V. 31. P. 953. doi: 10.1002/polb.1993.090310805.
  51. Ikezawa Y., Ariga T. // Electrochim. Acta. 2007. V. 52. P. 2710. doi: 10.1016/j.electacta.2006.09.050.
  52. Захарова Ю.А., Сергеев В.Г. // Мембраны и мембранные технологии. 2023. T. 13. С. 194. (англоязычная версия: Zakharova Y.A., Sergeyev V.G. // Membr. Membr. Technol. 2023. V. 5. P. 168. doi: 10.1134/S2517751623030095)
  53. Karelin A.I., Kayumov R.R., Sanginov E.A., Dobrovolsky Y.A. // Spectrochim. Acta - Part A Mol. Biomol. Spectrosc. 2017. V. 178. P. 94. doi: 10.1016/j.saa.2017.01.062.
  54. Gruger A., Régis A., Schmatko T., Colomban P. // Vib. Spectrosc. 2001. V. 26. P. 215. doi: 10.1016/S0924-2031(01)00116-3.
  55. Liang Z., Chen W., Liu J., Wang S., Zhou Z., Li W., Sun G., Xin Q. // J. Memb. Sci. 2004. V. 233. P. 39. doi: 10.1016/j.memsci.2003.12.008.
  56. Карелин А.Е., Каюмов Р.Р., Сангинов Е.А., Добровольский Ю.А. // Мембраны и мембранные технологии. 2016. T. 6. С. 366. (англоязычная версия: Karelin A.I., Kayumov R.R., Sanginov E.A., Dobrovolsky Y.A. // Pet. Chem. 2016. V. 56. P. 1020. doi: 10.1134/S0965544116110074)
  57. Mochizuki T., Kakinuma K., Uchida M., Deki S., Watanabe M., Miyatake K. // ChemSusChem. 2014. V. 7. P. 729. doi: 10.1002/cssc.201301322.
  58. Tsao C.-S., Chang H.-L., Jeng U.-S., Lin J.-M., Lin T.-L. // Polymer. 2005. V. 46. P. 8430. doi: 10.1016/j.polymer.2005.06.010.
  59. Haubold H.-G., Vad T., Jungbluth H., Hiller P. // Electrochim. Acta. 2001. V. 46. P. 1559. doi: 10.1016/S0013-4686(00)00753-2.
  60. Mensharapov R., Ivanova N., Spasov D., Grigoriev S., Fateev V. // Polymers. 2022. V. 14. P. 4395. doi: 10.3390/polym14204395.
  61. Lu F., Gao X., Yan X., Gao H., Shi L., Jia H., Zheng L. // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2013. V. 5. P. 7626. doi: 10.1021/am401940y.
  62. Mazzapioda L., Lo Vecchio C., Danyliv O., Baglio V., Martinelli A., Navarra M.A. // Polymers. 2020. V. 12. P. 2019. doi: 10.3390/polym12092019.
  63. da Silva J.S., Carvalho S.G.M., da Silva R.P., Tavares A.C., Schade U., Puskar L., Fonseca F.C., Matos B.R. // Phys. Chem. Chem. Phys. 2020. V. 22. P. 13764. doi: 10.1039/D0CP01864C.
  64. Roche E.J., Pineri M., Duplessix R., Levelut A.M. // J. Polym. Sci. Polym. Phys. Ed. 1981. V. 19. P. 1. doi: 10.1002/pol.1981.180190101.
  65. Fujimura M., Hashimoto T., Kawai H. // Macromolecules. 1981. V. 14. P. 1309. doi: 10.1021/ma50006a032.
  66. Mazzapioda L., Piccolo F., Del Giudice A., Silvestri L., Navarra M.A. // Mater. Renew. Sustain. Energy. 2024. V. 13. P. 59. doi: 10.1007/s40243-023-00249-0.
  67. Yeo R.S. // Polymer (Guildf). 1980. V. 21. P. 432. doi: 10.1016/0032-3861(80)90015-4.
  68. Moore R.B., Martin C.R. // Macromolecules. 1988. V. 21. P. 1334. doi: 10.1021/ma00183a025.
  69. Matos B.R. // J. Electroanal. Chem. 2020. V. 871. P. 114357. doi: 10.1016/j.jelechem.2020.114357.
  70. Paddison S.J., Bender G., Kreuer K.D., Nicoloso N., Zawodzinski T.A. // J. New Mater. Electrochem. Syst. 2000. V. 3 P. 291.
  71. Lu Z., Polizos G., Macdonald D.D., Manias E. // J. Electrochem. Soc. 2008. V. 155. P. B163. doi: 10.1149/1.2815444
  72. Lu Z., Lanagan M., Manias E., Macdonald D. // ECS Trans. 2010. V. 28. P. 95. doi: 10.1149/1.3502448.
  73. Thirmal C., Mohan P.N., Suresh G., Viveka T.L., Raju K.J., Vishwam T. // Mater. Today Proc. 2023. V. 92. P. 655. doi: 10.1016/j.matpr.2023.04.138
  74. Paddison S.J., Reagor D.W., Zawodzinski Jr T.A. // J. Electroanal. Chem. 1998. V. 459. P. 91. doi: 10.1016/S0022-0728(98)00321-0.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Кривые СТА и ионных токов образцов Li-Инион (а) и Li-Инион/ПК (б); кривые ТГА мембраны Инион в литиевой и натриевой формах (в)

Скачать (2MB)
Метаданные
3. Рис. 2. Обзорные спектры ИК НПВО мембран Инион и Нафион (а) и контуры полос колебания ν(SO) и ν(CF2) (б)

Скачать (1MB)
Метаданные
4. Рис. 3. Кривые МУРР: (а) исходные кривые H-Иниона и каптона; (б) кривые образцов Инион в разных катионных формах с учетом каптона

Скачать (1MB)
Метаданные
5. Рис. 4. (а) Эквивалентная схема спектров импеданса: Rm – сопротивление образца, Cg – геометрическая емкость измерительной ячейки, ZW – элемент Варбурга; (б) и (в) Годографы импеданса при разной температуре (точки – экспериментальные данные, линии – аппроксимация спектров импеданса по эквивалентной схеме); (г) температурные зависимости удельной ионной проводимости, геометрической емкости и диэлектрической проницаемости Na-Инион/ПК

Скачать (91KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024