Effect of Ionic Liquid Incorporation on Sodium-Ion Conducting Gel Polymer Electrolytes Based on PVDF-HFP and Sodium Triflate

Energieopslagapparaten, van de telefoons in onze zakken tot de auto's op onze wegen, vertrouwen op een kritieke component genaamd een elektrolyt. Deze substantie fungeert als een brug, waardoor geladen deeltjes tussen de positieve en negatieve uiteinden van een batterij kunnen bewegen. Decennialang waren vloeibare elektrolyten de standaard omdat ze ionen snel laten bewegen, maar ze brengen aanzienlijke risico's met zich mee: ze kunnen lekken, brand vangen of de batterijonderdelen corroderen. Vaste alternatieven bestaan en zijn veiliger, maar ze hebben vaak moeite om ionen efficiënt te geleiden, vooral wanneer de temperatuur daalt. Om dit op te lossen, hebben wetenschappers zich gericht op een hybride aanpak die een gel-polymeer elektrolyt wordt genoemd. Stel je een spons voor die vloeistof vasthoudt binnen een solide raamwerk; deze structuur biedt de veiligheid van een vaste stof met de vloeiende beweging van een vloeistof, wat het een veelbelovende kandidaat maakt voor de volgende generatie batterijen.

In een recent onderzoek onderzochten onderzoekers van de Uva Wellassa Universiteit in Sri Lanka hoe ze deze gel-elektrolyten nog beter kunnen maken voor natrium-ionbatterijen. Natrium is een aantrekkelijk alternatief voor lithium omdat het overvloediger en goedkoper is, maar het vereist specifieke materialen om efficiënt te bewegen. Het team richtte zich op een flexibel kunststofmateriaal genaamd PVDF-HFP, dat bekend staat om zijn vermogen om vloeistoffen vast te houden, en mengde dit met een natriumzout om de lading te dragen. Om de prestaties te verbeteren, introduceerden ze een speciaal type zout dat een ionische vloeistof wordt genoemd. In tegen tegenstelling tot de zouten die in de keuken worden gebruikt, die vast zijn bij kamertemperatuur, zijn ionische vloeistoffen zouten die zelfs bij lage temperaturen vloeibaar blijven. Ze worden gewaardeerd omdat ze niet ontvlambaar en stabiel zijn onder hitte. De onderzoekers wilden zien of het toevoegen van dit vloeibare zout aan het plastic en de natriummengsel een soepeler pad zou creëren waarover de natriumionen kunnen reizen, waardoor het vermogen van de batterij om energie op te slaan en vrij te geven wordt verbeterd.

Het team bereidde verschillende monsters voor door het plastic, het natriumzout en variërende hoeveelheden van de ionische vloeistof te mengen. Ze gebruikten een standaardmethode waarbij de ingrediënten in een oplosmiddel werden opgelost en het vervolgens liet verdampen om dunne, transparante films achter te laten. Ze testten films met verschillende ratio's, variërend van geen enkele ionische vloeistof tot een mengsel waarbij de ionische vloeistof twee derde van het gewicht uitmaakte. Het doel was om de perfecte balans te vinden waarbij het materiaal flexibel en sterk bleef, terwijl het tegelijkertijd zo goed mogelijk elektriciteit geleidde. Ze ontdekten dat naarmate ze meer van de ionische vloeistof toevoegden, het materiaal meer op een gel ging lijken, maar het bleef zelfstandig staand en verloor zijn vorm niet. Het meest succesvolle monster bevatte zestig-zeven procent ionische vloeistof bij gewicht. Bij kamertemperatuur geleidde dit specifieke mengsel elektriciteit met een snelheid van 4,66 milliSiemens per centimeter, een significante verbetering ten opzichte van monsters met minder vloeistof. Wanneer de temperatuur werd verhoogd naar zestig graden Celsius, schoot de geleidbaarheid nog hoger, bereikend 8,80 milliSiemens per centimeter.

Om te begrijpen waarom dit mengsel zo goed werkte, keken de onderzoekers naar de binnenstructuur van het materiaal met behulp van röntgendiffractie, een techniek die onthult hoe atomen zijn gerangschikt. Ze ontdekten dat het pure plastic en het plastic gemengd met slechts het natriumzout een enigszijnlijk geordende, kristallijne structuur hadden, zoals een netjes gestapelde stapel bakstenen. Echter, wanneer de ionische vloeistof werd toegevoegd, viel deze orde uiteen. De scherpe, duidelijke patronen van de kristallen verdwenen en werden vervangen door een breed, wazig signaal dat duidde op een meer ongeordende, amorfe staat. In deze ongeordende staat zijn de polymeerketens minder stijf en hebben ze meer ruimte om te wiebelen. Deze verhoogde flexibiliteit zorgt ervoor dat de natriumionen veel gemakkelijker door het materiaal kunnen bewegen, wat de hogere geleidbaarheid verklaart. De ionische vloeistof fungeerde in essentie als een smeermiddel, die de nauwe pakking van het plastic en het zout verstoorde en een opener omgeving creëerde voor de ionen om te reizen.

Het team onderzocht ook hoe het materiaal zich gedroeg onder hitte. Met behulp van een techniek genaamd differentiële scancalorimetrie maten ze de temperaturen waarbij het materiaal smolt of van staat veranderde. Ze observeerden dat het toevoegen van de ionische vloeistof de smeltpunten van de verschillende componenten verlaagde, wat bevestigde dat het materiaal minder stijf en flexibeler was geworden. Deze flexibiliteit is cruciaal omdat het de ionen in staat stelt om van de ene plek naar de andere te springen met minder weerstand. Daarnaast gebruikten ze infraroodspectroscopie om naar de trillingen van de chemische verbindingen binnen het materiaal te luisteren. De veranderingen in deze trillingen toonden aan dat de ionische vloeistof niet alleen passief in het mengsel zat; het was actief aan het interageren met het plastic en het natriumzout. Deze interacties hielpen het natriumzout op te breken in individuele ionen, waardoor er meer ladingsdragers beschikbaar kwamen om het werk van het geleiden van elektriciteit te doen.

Ten slotte testten de onderzoekers de veiligheid en duurzaamheid van hun nieuwe elektrolyten door ze op te warmen om te zien wanneer ze zouden beginnen af te breken. De resultaten lieten zien dat de materialen opmerkelijk stabiel waren en temperaturen tot vierhonderd graden Celsius konden weerstaan voordat er tekenen van ontleding optraden. Hoewel de toevoeging van de ionische vloeistof de temperatuur waarbij het plastic begon af te breken iets verlaagde vergeleken met het pure plastic, bleef het materiaal stabiel genoeg voor praktisch gebruik in batterijen. De studie concludeerde dat het integreren van ionische vloeistof in de gel-polymeer elektrolyt een zeer effectieve strategie is. Het transformeert het materiaal van een rigide, minder geleidende vaste stof naar een flexibele, hooggeleidende gel zonder de thermische stabiliteit op te offeren. Deze bevinding suggereert een duidelijke weg vooruit voor de ontwikkeling van veiligere, efficiëntere natrium-ionbatterijen die op een dag alles kunnen aandrijven, van draagbare elektronica tot elektrische voertuigen.