Thymol–Menthol Deep Eutectic Solvent as a Functional Additive for PEO-Based Solid Polymer Electrolytes

In de zoektocht naar veiligere en efficiëntere batterijen hebben wetenschappers lang verder gekeken dan de vloeibare elektrolyten die de huidige apparaten van stroom voorzien. Hoewel vloeistoffen goed werken, brengen ze risico's met zich mee wat betreft lekkage, verdamping en brandbaarheid. Dit heeft geleid tot een verschuiving naar vaste polymerelektrolyten, die flexibele vellen plastic zijn die elektriciteit kunnen geleiden zonder de gevaren van een vloeistof. Het meest voorkomende materiaal voor deze vellen is een polymeer genaamd polyethyleenoxide. Dit materiaal heeft echter een hardnekkige zwakte: het is te stijf en rigide bij kamertemperatuur, waardoor het voor ionen — de piepkleine geladen deeltjes die energie dragen — moeilijk is om er snel doorheen te bewegen. Om dit op te lossen, proberen onderzoekers de kunststof vaak te verzachten of stoffen toe te voegen die helpen om ionen gemakkelijker te laten glijden, maar het vinden van het juiste additief dat zowel effectief als milieuvriendelijk is, blijft een aanzienlijke uitdaging.

Een team onderzoekers uit Maleisië heeft een frisse aanpak voor dit probleem gekozen door de natuur om een oplossing te vragen. Zij onderzochten een specifiek type mengsel dat bekend staat als een diepe eutectische oplossing, gemaakt door twee veelvoorkomende, natuurlijk voorkomende verbindingen te combineren: thymol, dat in tij wordt gevonden, en menthol, het verkoelende middel in munt. Wanneer deze in specifieke verhoudingen worden gemengd, smelten deze twee vaste stoffen samen tot een heldere, stabiele vloeistof, die zich gedraagt als een oplosmiddel zonder de toxiciteit van traditionele chemicaliën. De onderzoekers wilden zien of deze groene vloeistof gebruikt kon worden als additief om de stijve polyethyleenoxide-vellen te verzachten en hun vermogen om elektriciteit te geleiden te vergroten.

Het team begon met het maken van verschillende versies van deze thymol-menthol vloeistof, waarbij verschillende ratio's van de twee ingrediënten werden getest om de meest stabiele vorm te vinden. Ze maten fysieke eigenschappen zoals dichtheid en oppervlaktespanning om te begrijpen hoe de moleculen met elkaar interageerden. Ze ontdekten dat een mengsel met vier delen menthol op één deel thymol een vloeistof creëerde met de laagste dichtheid en oppervlaktespanning, wat duidt op een zeer georganiseerde en vloeiende moleculaire structuur. Voordat ze deze vloeistof aan het batterijmateriaal toevoegden, bevestigden ze dat het polyethyleenoxide erin kon oplossen, waardoor het opzwol en in een doorschijnende gel veranderde, wat aangaf dat de twee stoffen compatibel waren en klaar waren om gecombineerd te worden.

Vervolgens mengden de onderzoekers de vloeibare additief in het polyethyleenoxide om een nieuwe vaste film te creëren. Om te begrijpen wat er op moleculair niveau gebeurde, gebruikten ze een techniek genaamd Fourier-transform infraroodspectroscopie, wat werkt als een vingerafdrukscanner voor chemicaliën. De resultaten toonden aan dat de hydroxylgroepen in de thymol en menthol sterke bindingen vormden met de zuurstofatomen in de polymeerketens. Deze interactie was cruciaal omdat het betekende dat het additief niet alleen op het oppervlak zat, maar diep geïntegreerd was in de structuur van de kunststof, waardoor de nauwe grip die de polymeerketens op elkaar hadden, effectief werd versoepeld.

Het team testte vervolgens hoe goed deze nieuwe films elektriciteit geleidden met behulp van een methode genaamd elektrochemische impedantiespectroscopie. Ze vergeleken de pure polymeerbladen met bladen die verschillende hoeveelheden van het thymol-menthol additief bevatten. Het pure polymeer was een slechte geleider, maar zodra het additief werd geïntroduceerd, verbeterde het vermogen om lading te dragen aanzienlijk. De beste prestatie kwam van het mengsel met de hoogste hoeveelheid menthol, specifiek de een met een verhouding van vier tot één menthol tegenover thymol. Deze specifieke blend liet het materiaal toe om elektriciteit te geleiden met een snelheid van 1,28 × 10⁻⁶ S cm⁻¹, wat een substantiële verbetering was ten opzichte van het ongewijzigde materiaal. De onderzoekers schreven dit succes toe aan de lagere viscositeit van het mengsel, die de ionen meer ruimte gaf om te bewegen, en de unieke chemische structuur van de thymol, die de stroom van lading hielp te faciliteren.

Ten slotte controleerden de onderzoekers hoe goed deze nieuwe materialen bestand waren tegen hitte. Ze ontdekten dat hoewel de pure thymol-menthol vloeistof bij relatief lage temperaturen afbreekt, het op het moment dat het binnen de polymeermatrix werd opgesloten, veel stabieler werd. De resulterende vaste film kon temperaturen weerstaan die ruim boven wat vereist is voor typische batterijwerking liggen, wat bewees dat het additief de veiligheid of duurzaamheid van het eindproduct niet in gevaar bracht. De studie concludeert dat het gebruik van deze natuurlijke, groene vloeistof als additief een veelbelovende strategie is om solidaire polymerelektrolyten efficiënter te maken. Hoewel de onderzoekers opmerken dat verdere arbeid nodig is om het materiaal te optimaliseren voor real-world apparaten, tonen hun bevindingen aan dat eenvoudige, milieuvriendelijke ingrediënten de prestaties van volgende generatie batterijcomponenten aanzienlijk kunnen verbeteren.