Silica gel solid nanocomposite electrolyte e nang le kholiso ea conductivity ea sefahleho e fetang bongata ba Li-ion conductivity ea ionic liquid electrolyte filler.

Phetolelo ho libeteri tsa Li-ion tsa boemo bo tiileng e tla nolofalletsa tsoelo-pele ho fihla ho matla a matla a 1000 W·hour/litha le ho feta.Metsoako ea mesoporous oxide matrix e tlatsitsoeng ka li-nonvolatile ionic liquid electrolyte fillers e hlahlobiloe e le khetho e tiileng ea electrolyte.Leha ho le joalo, ho koalloa habonolo ha litharollo tsa electrolyte ka har'a li-pores tse boholo ba nanometer ho lebisa ho theoheng ha ion conductivity ha viscosity e ntse e eketseha.Mona, re bonts'a hore conductivity ea Li-ion ea nanocomposites e nang le mesoporous silica monolith e nang le setlolo sa ionic liquid electrolyte filler e ka ba makhetlo a 'maloa ho feta ea electrolyte ea metsi a ionic e hloekileng ka ho kenngoa ha leqhoa le nang le sefahleho sa leqhoa.Phatlalatso e matla le tatellano ea limolek'hule tsa mokelikeli oa ionic li etsa hore li se ke tsa sisinyeha ebile li tiile joalo ka lera la leqhoa ka bolona.The dipole holim'a adsorbate mesophase layer e fella ka ho rarolloa ha li-ion tsa Li + bakeng sa tsamaiso e ntlafetseng.Molao-motheo o bontšitsoeng oa ntlafatso ea ion conduction o ka sebelisoa ho litsamaiso tse fapaneng tsa ion.

Li-electrolyte tsa boemo bo tiileng li lebeletsoe ho fana ka matlafatso e latelang bakeng sa libeteri tsa Li-ion ho feta siling e sebetsang ea 800 W·hour/liter kapa 300 W·hour/kg e behiloeng lik’hemik’hale tse teng tsa cathode le anode.Keketseho e lebelletsoeng ea matla a matla bakeng sa libeteri tsa boemo bo tiileng e tsoa ho tlatsetso tse 'maloa, kaofela li lebisitse ho eketsa liphesente tsa molumo oa lisebelisoa tse sebetsang ka seleng.E phatlalalitsoeng ka ho fetesisa ke ho kenyelletsoa ha tšepe ea lithium ho nkela graphite le graphite / silicon e le anode.Lithium tšepe e hloekileng e na le matla a phahameng ka ho fetisisa a matla a ka khonehang, kahoo e ka hloka sebaka se fokolang.Leha ho le joalo, litaba tse ngata li ntse li hloka ho rarolloa, joalo ka karabelo e ke keng ea qojoa ('me ka hona ts'ebeliso) ea tšepe ea lithium, sebopeho sa dendrite, keketseho ea sekhahla se sebetsang sa hona joale bakeng sa foil ea planar ea lithium ha e bapisoa le li-electrode tsa porous graphite (silicon), le ho qetela. empa bonyane, "ho nyamela" ha lithium nakong ea ho tsoa (deplating) 'me kahoo ho lahleheloa ke ho kopana le electrolyte e tiileng.Sebopeho se thata sa mochini oa li-electrolyte tse tiileng tsa ceramic ehlile ha li latele letho, 'me likhatello tse feteletseng li hloka ho sebelisoa ho hatella lithium ka tieo khahlanong le karolo e tiileng ea electrolyte.Lintlha tsa khatello ea discrete li theola sebaka se sebetsang hantle le ho feta, se lebisang ho thehoeng ha dendrite ea lehae le li-deposit tsa spongy.Li-electrolyte tsa polymer li tsamaellana haholo le mochini empa ha li so bonts'e conductivity e phahameng e lekaneng ea ionic mocheso oa kamore.Lisebelisoa tse ncha tse khahlang haholo tabeng ena ke li-electrolyte tsa silika tsa gel, tseo hape li 'nileng tsa bitsoa "ionogels," moo ionic liquid electrolyte (ILE) e koaletsoeng ka har'a silika matrix ea nanoporous (1).The porosity e phahameng haholo ea silica matrix (70 ho 90%) e fa lisebelisoa tsena tsa nanocomposite electrolyte mokhoa o ts'oanang oa gel mme ka hona o etsa hore li lumellane le li-electrolyte tsa polymer.Li-gel tsena tsa silica ka linako tse ling li bontšoa e le li-electrolyte tse tiileng tsa lebasetere, kaha li na le mokelikeli.Leha ho le joalo, bakeng sa li-silica nanocomposites, joalo ka tse hlalositsoeng pampiring ena, "electrolyte" ea "ionic" e fetoha e tiileng-joalo ha e koaletsoe ka har'a likanale tse mashome a boholo ba nanometer ka ho eketseha ha viscosity le ka ho khabisoa leboteng la silika le koalang. mocha.Haeba silika matrix e ne e tla sebetsa feela e le karohano e nang le masoba, joale keketseho ea viscosity bakeng sa electrolyte ea mokelikeli e koaletsoeng e ka lebisa ho fokotseha ha conductivity ea ionic.Ho e-na le hoo, tšebelisano pakeng tsa limolek'hule tsa ILE le lerako la pore la silica li etsa hore thepa ea nanocomposite e fapane le kakaretso ea likarolo tsa eona ka bomong.Ho kenngoa ha metsi a ionic holim'a li-oxide ka sebopeho sa likarolo tse tiileng tsa mesophase ho fihla ho li-nanometers tse 'maloa ka botenya ho bontšitsoe libakeng tse polane tse nang le microscope ea matla a athomo (2).Phatlalatso e ikhethileng ea li-anion tsa metsi a ionic le li-cations tse holim'a oxide e ka lebisa ntlafatsong ea li-conductivity ea Li + haufi le likhokahano tsena.Ehlile, ntlafatso e haufi le li-interfaces tsa oxide e tlameha ho lefella kapa ho feta ho fokotseha ha conductivity ka ILE e koaletsoeng bohareng ba li-pores.Ka hona, boholo bo nyane ba pore le li-ratios tse phahameng tsa bokaholimo ho ea holimo lia batloa.Ho fihlela joale, li-ionogel tse nang le li-ion conductivities tse atamelang tsa ILE ka boeona li bontšitsoe ka ho ntlafatsa sebopeho sa mesoporous (3).Sena se bolela hore ntlafatso ea li-interface e ne e se e ntse e le teng empa e se ho isa tekanyong ea ho feta ka bongata.

Ho lokisoa ha li-ionogel ho qala ho tsoa ho motsoako oa metsi a homogeneous, moo ILE e kenyelletsoang ho tharollo ea sol-gel bakeng sa motsoako oa oxide matrix (4, 5).Ka mokhoa ona, ILE le matrix li theha motsoako ka mokhoa oa "in situ": Li-precursors tsa tharollo li arabela ho theha matrix a oxide ho pota-pota template ea metsi a ionic, a e koahelang ts'ebetsong.Tlas'a maemo a itseng a ho kopanya, ILE-SCE e lokiselitsoeng (electrolyte e tiileng e kopantsoeng) e ka ba ka mokhoa oa monolith le ILE e kentsoeng ka marang-rang a tsoelang pele a mesoporous inorganic oxide network.Ho fihlela joale, boholo ba li-ILE-SCE tse thehiloeng ka silika li lokisitsoe ka tsela ena, le hoja mehlala e boetse e entsoe ka alumina (6), titania (7), esita le tin oxide (8).Boholo ba litlatsetso tsa sol-gel li na le ILE, alkyl-silicate joalo ka tetraethyl orthosilicate (TEOS) joalo ka silika precursor, le formic acid e le reagent le solvent (9, 10).Ho ea ka mochine o reriloeng (11) bakeng sa ts'ebetso ena ea sol-gel, silika e hlahisoa haholo ke karabelo pakeng tsa TEOS le formic acid, le hoja metsi a hlahisoa nakong ea ts'ebetso ea sol-gel.Ntle le metsoako ena ea "nonaqueous" e thehiloeng ho "nonaqueous" e thehiloeng ho "nonaqueous", metsoako ea aqueous sol-gel e nang le HCl e le mohloli le H2O e le reagent (plus organic solvent) le eona e hlalositsoe, leha ho le joalo, tabeng ena bakeng sa ho qaptjoa ha motsoako oa silika le metsi a ionic feela (12-15).

Ka tloaelo, li-ionogel li bonts'a conductivity ea ion e tlase ho feta ea referense ea ILE.Moloko oa pele oa li-ionogel o ne o e-na le li-conductivity tsa mocheso oa kamoreng hangata e ka bang 30 ho isa ho 50% feela ea bongata ba boleng ba ILE, leha mehlala e meng e fihlang ho 80% e tlalehiloe (9, 10, 16, 17).Phello ea litaba tsa ILE le sephetho sa pore morphology ho ionogel conductivity e se e batlisisitsoe ka botlalo (3);leha ho le joalo, ha ho boithuto bo hlophisitsoeng ba litlamorao tsa ntlafatso ea sebopeho se tsejoang.Wu et al.(18) e sa tsoa tlaleha ka in situ functionalized ionogel, eo hape e faneng ka ntlafatso ea conductivity ha e bapisoa le bongata ba ILE.Ntlafatso e ne e bakoa ke tšebelisano lipakeng tsa anion le sehlopha se sebetsang sa 3-glycidyloxypropyl holim'a silika.Tlhahiso ena e ts'ehetsa mohopolo oa hore ts'ebetso ea bokaholimo e ka ntlafatsa kholiso ea likhokahanyo.

Mosebetsing ona, re bonts'a sebopeho sa in situ sa lera le tiileng la metsi a leqhoa holim'a silika le ho qaqisa mochine oa li-interfacial Li-ion conduction ka ho eketseha ha tšebelisano ea dipole pakeng tsa lera la holim'a leqhoa le adsorbed ionic liquid mesophase layer.Ka ho kopanya sebaka se phahameng sa ka hare le leqhoa le ts'ebetso ea leqhoa le teteaneng, li-electrolyte tse tiileng tsa nanocomposite (nano-SCE) tse nang le 200% e phahameng ea Li-ion conductivity ho feta boholo ba boitsebiso ba ILE bo fihletsoeng.Silika matrix e bontšoa e na le sebopeho sa 'nete sa monolithic mesoporous se nang le li-pore volumes le libaka tse ka holimo ho fihla ho 90% le 1400 m2 / g, kahoo e fana ka tekanyo e feteletseng ea holimo-ho-volume e lumellang tlatsetso e kholo ea ntlafatso ea conduction hammoho le li-interfaces tsena.Ka ts'ebetso e ntlafalitsoeng ea sebaka sa silika se kopantsoeng le ho eketsa tekanyo ea holimo-ho-volume, nano-SCE e nang le li-ion conductivities tse fetang 10 mS / cm e ka 'na ea etsoa' me ka hona e khahleha haholo bakeng sa libeteri tse nang le matla a maholo bakeng sa lisebelisoa tsa likoloi.

Maikutlo a pampiri ea rona a holim'a mochine oa khokahanyo e ntlafetseng ka ho theha lesela la mesophase ka bopaki bo tsoang ho Raman, Fourier transform infrared (FTIR), le nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy.Ho tsitsa ha sebopeho sa thepa ea rona ea nano-SCE maemong a phahameng ho bontšoa ho sebelisoa li-electrode tsa lithium manganese oxide (LMO) filimi e tšesaane.Ka tsela ena, ho tsepamisa maikutlo ho boloka lintho tse bonahalang ho e-na le ho kopanya li-electrode le litaba tsa kopano ea lisele.Ka mokhoa o ts'oanang, fensetere ea electrochemical le botsitso khahlanong le lihlahisoa tsa tšepe tsa lithium li khetholloa ka ho feletseng.Ts'ebetso le kopanyo ea nano-SCE ea rona e bonts'oa ka liteko tsa kopano le sekhahla sa ts'ebetso ea lithium iron phosphate (LFP) le lithium titanate (LTO) lisele.Ho tsitsa ha electrolyte ea rona le ho se sebetse ha electrochemical ea metsi a leqhoa ho ile ha bontšoa ka ho palama libaesekele tsa nako e telele tsa lisele tsa Li-SCE-Li tsa symmetric.Ntlafatso ea matla a matla, ts'ebetso ea sekhahla, le ts'ebetso ea libaesekele tsa lisele tse kopaneng ka botlalo e tla ba sepheo sa lipampiri tse latelang (19, 20).

Khothatso ea ho kopanya li-ion conductivity ho litsamaiso tse nang le likarolo tse peli e tsebahala ka lilemo tse ka bang 90 (21).Ka mohlala, ho fihlela ho litaelo tse 'nè tsa ho eketseha ha conductivity ea ionic ho bontšitsoe bakeng sa metsoako ea letsoai la lithium le bonolo joaloka lithium iodide e nang le likaroloana tsa mesoporous oxide tse kang silica kapa alumina ha li bapisoa le conductivity ea ion ea electrolyte e hloekileng ea lithium letsoai (22).Li-ion tse ho li-SCE tsena li ka hasana ka potlako haholo haufi le sebaka sa motlakase sa Li ion-depleted (kapa se nang le sekheo) se entsoeng ka har'a sehokelo sa oxide/electrolyte.Ka bomalimabe, conductivity ea ion e fumanoeng ka har'a metsoako ena e bonolo ea likarolo tse peli tsa inorganic solid-solid (1) ha e e-s'o fete moeli oa 1-mS/cm2 o hlokahalang ho koala sebaka sa makholo a seng makae-micrometer pakeng tsa lipoleiti tsa hona joale tsa pokello ea betri ea Li-ion. .Khopolo ea heterogeneous doping e nang le oxide matrix ho boenjiniere ba ionic conductivity e boetse e hlahlobiloe bakeng sa polymer electrolyte (23) le ILEs (24), tse nang le conductivity e phahameng ea ionic ho qala ka eona.Ho feta moo, k'hemistri e ruileng ea molek'hule (stereo) ea karolo ea boraro e bula mekhoa e meng ea ho tsamaisa li-ion, kaha (di) limolek'hule tse kang polar solvent li ka kenya letsoho ho thehoeng ha lera la motlakase habeli.Le hoja ketso ea ho rarolla ea lihlopha tsa ether ka polyethylene oxide polymer electrolyte e fana ka li-ion conductivities tse tiileng tsa ~ 10−6 S/cm bakeng sa LiClO4 ho ~ 10−5 S/cm bakeng sa LiN(SO2CF3)2, metsoako ea tsona e nang le silica, alumina. , kapa titania nanoparticles ka sebele e ka fana ka ntlafatso e fetang 10 ka mokhoa o lekantsoeng oa ion conductivity (25), ka bomalimabe, e ntse e le ka tlase ho mocheso oa kamore ea 1 mS / cm.Litharollo tsa ILE ke motsoako oa motsoako oa Li-letsoai le motsoako oa metsi a ionic, o ka seng o na le li-conductivity tse phahameng tsa ionic pakeng tsa 0.1 le 10 mS/cm (26, 27).Ho entsoe liteko tse 'maloa tsa ho ntlafatsa conductivity ea ion ka ho e kopanya kapa ho e tšela ka oxide nanoparticles kapa ho koala ILE ka mesoporous microparticles (9, 16, 28, 29).Leha ho le joalo, ho fihlela joale, ha ho ntlafatso ea conductivity ea ion e 'nileng ea hlokomeloa bakeng sa likarolo tse tharo tsa Li-letsoai / ionic liquid / oxide composite (sa feiga. S1).Le hoja tšebeliso ea mesoporous silica microparticles e etsa hore ho be le conductivity e phahameng ha e bapisoa le metsoako e nang le nanoparticles e tiileng, sebaka sa sefahleho sa sefahleho le ts'ebetso ea ion conduction ha e lekane ho feta bongata ba ILE conductivity.

Mesoporous silica ke ntho e tsebahalang e sebelisoang ho etsa catalysis.Hangata e entsoe ka hydrothermal kapa bonolo sol-gel synthesis.Mekhoa ea hydrothermal hangata e lebisa ho li-mesoporous powders, empa ka taolo e hlokolosi ea mocheso oa kamore ea sol-gel, ho entsoe li-monoliths tse kholo tsa khalase kapa li-aerogels.Silika matrix e thehoa ka hydrolysis le condensation reactions ea tetra-alkyl orthosilicates (30).Ntho e ka sehloohong ea ho laola sebopeho sa pore ke tšebeliso ea li-templates, mohlala, micelle ea mofuta oa surfactant, eo ho eona ho thehoang matrix a silica.Ha mokelikeli oa ionic o eketsoa e le molek'hule ea templating, hydrated silica matrix e sebelisana le mokelikeli oa ionic, ho etsa gel, 'me ka mor'a ho folisa le ho omisa, mokelikeli oa ionic o koalloa ka har'a silika e tiileng ea nanoporous (13).Ha letsoai la lithium le eketsoa e le karolo ea boraro, ILE e koaletsoeng ka har'a silika matrix e etsa silica gel electrolyte, eo hape e 'nileng ea bitsoa ionogel (24).Leha ho le joalo, ho fihlela joale, li-electrolyte tsena tsa silika tsa gel li bontša li-conductivities tse atamelang tsa ILE tse ngata empa li sa e fete, ntle le nyeoe e le 'ngoe moo silika e neng e sebelisoa ka lik'hemik'hale (bona Selelekela) (18).

Mona, re bonts'a, ts'ebetso e hlophisitsoeng ea Li-ion conductivity ea nanocomposite hantle ho feta ea ILE e hloekileng.Mohlala oa 1-butyl-1-methylpyrrolidinium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (BMP-TFSI) o sebelisoa mona.Ho nahanoa hore ho ata ha limolek'hule tsa metsi a ionic holim'a silika e felisitsoeng ea OH e khothalletsoa ke ho ba teng ha lera la metsi a leqhoa.Kamano e matla ea haedrojene lipakeng tsa metsi a leqhoa le TFSI− anion e etsa hore ho be le tatellano ea molek'hule ea mokelikeli oa ionic, o ts'oanang le libaka tse laetsoeng tse itlhahelang feela ka mekelikeli ea ionic (31).Phapang e ka sehloohong le libaka tse entsoeng ka mokhoa o sa reroang ka bongata ILE ke hore leqhoa la leqhoa le sebetsa e le lesela le sebetsang leo (i) le kenyang taelo ea limolek'hule holim'a oxide e holim'a metsi le (ii) e hlahisang matla a lekaneng a H-bonding ho etsa hore dipoles li lokolle mahala Li + bakeng sa tsamaiso e ntlafetseng.Haufi le keketseho ea mahloriso a mahala a Li +, re tla bonts'a hore matla a ts'ebetso ea ho hasanya a theohile haufi le sebopeho se kopaneng se nang le lera la adsorbed ILE le lera la metsi a leqhoa.

Lera le lengata la monolayers-tenya holim'a metsi holim'a silika ke lera le tiileng, kaha le hokahane ka matla le lihlopha tsa silanol ka H-marokho 'me ka hona le boetse le bitsoa leqhoa (32).Botenya ba eona le botenya (ho hakanngoa ho fihla ho li-monolayers tse tharo ho isa ho tse 'nè, tse nang le ~ 0.25 nm ka leqhoa le le leng la monolayer) li lekanngoeng ke thermodynamic le khatello ea metsi e sa fellang [mongobo o amanang (RH)] tikolohong (sa feiga. S2).Re bontša hore conductivity ea ion e eketseha ka botenya ba leqhoa la metsi a leqhoa ha ho kopana ha hydrogen le likarolo tsa adsorbed tsa ionic ho boetse ho eketseha.Lera la metsi a leqhoa le tsitsitse ho tšoana le metsi a kristale ka metsoako ea lik'hemik'hale.Sena se fapane haholo le li-electrolyte tse nang le metsi a mangata haholo kapa ho thoeng ke metsi ka metsoako ea letsoai, moo fensetere ea electrochemical e atolositsoeng haholo empa, qetellong, metsi a ntse a sebetsa ka mokhoa oa electrochemically (33).

Ho fapana le li-recipe tsa ionogel tse tloaelehileng tsa formic acid-catalyzed ionogel, re sebelisitse motsoako o bonolo oa pH 5 o nang le metsi a mangata le PGME (1-methoxy-2-propanol) e kenyellelitsoeng ho selelekela sa TEOS se nang le letsoai la Li-TFSI le mokelikeli oa ionic oa BMP-TFSI.Ho pH ena, karabelo ea hydrolysis e ea lieha, ha condensation e le ntle (30).Ho lumeloa hore Li ions li sebetsa e le sesosa sa karabelo ea hydrolysis, kaha ha ho gelation e etsahetseng ho ba sieo ha letsoai la lithium ha bobeli ba bona ba ne ba e-na le pH e tšoanang ea 5. The molar ratio ea ionic liquid ho TEOS ('me kahoo silica moieties) ke e bonts'itsoe e le boleng ba x mme e ne e fapane pakeng tsa 0.25 le 2. Karolelano ea molar ea BMP-TFSI ho Li-TFSI e ne e bolokiloe ho 3 (e tsamaellanang le 1 M Li-ion solution).Ho omisa butle-butle ho ne ho hlokahala ho boloka botšepehi ba sebopeho sa sebopeho sa monolith (sheba Lisebelisoa le Mekhoa).Setšoantšo sa 1A se bonts'a foto ea pellet ea monolithic e fumanoeng kamora ho omisoa ka vacuum.Ho omisoa ha vacuum ea lihora tse 72 ho ne ho lekane ho tlosa mongobo oohle ho fihlela moo metsi ohle a sa lefelloeng a neng a tlositsoe ha metsi a leqhoa a adsorbed a ntse a tiile, joalo ka ha ho netefalitsoe ke FTIR.Ha ho li-vibrations bakeng sa metsi a sa lefelloeng a ileng a fumanoa ho 1635 cm-1 ho lisampole leha e le life ka mor'a mohato oa ho omisa (setšoantšo sa 2).Ha ho bapisoa, spectrum ea FTIR bakeng sa sampole ea nano-SCE (x = 1.5) e bolokiloeng beke e le 'ngoe ka lebokoseng la li-glove la N2 ho 60% RH e bontšoa.Tabeng ena, ho hlaha tlhōrō e hlakileng ea metsi a sa lefelloeng.Mehlala eohle, ka lehlakoreng le leng, e bonts'itse lets'oao le hlakileng la ts'ebetso ea silanol (Si─OH e kobehang lipakeng tsa 950 le 980 cm−1) le lera la metsi a leqhoa le adsorbed (O─H le otlollang ~ 3540 cm−1) lihlopha tsa ─OH tse holimo ka H-bonding (lintlha tse ling tse ka tlase).Li-vial li ne li lekanngoa pele le ka mor'a mohato oa ho omisa ho lekanya metsi a bolokiloeng ho nano-SCE (tafole S1).Hamorao, re tla bala palo ea li-monolayers tse tsamaellanang tsa likhahla tsa leqhoa tse ka holimo ho tloha boima bo feteletseng.Li-pellets tse omisitsoeng ka vacuum li ile tsa tlisoa ka lebokoseng la liatlana [<0.1-ppm (likarolo ho milione) H2O] 'me tsa bolokoa ka linkho tse koetsoeng ho boloka metsi a pele.Ho nkiloe molumo o monyenyane ho tloha pellet bakeng sa ho hlahisa litlhaku tse ling.

(A) Setšoantšo sa li-pellets tse peli tsa nano-SCE (ka ho le letšehali) tse entsoeng ka har'a vial;ka mor'a gelation, pellet e bonaletsang e fumanoa.Hlokomela hore pellet e hlakile ka ho feletseng 'me ka hona e fanoe ka' mala o moputsoa bakeng sa ponahalo.Ha ILE e tlosoa, pellet e tšoeu e brittle e sala bakeng sa matrix a silica e nang le porous (ka ho le letona).(B) Ho hlahloba electron microscopy (SEM) setšoantšo sa matrix SiO2 se setseng ka mor'a ho tlosoa ha ILE.(C) Atometsa setšoantšo se bonts'itsoeng ho (B) se bonts'ang sebopeho sa mesoporous sa matrix ka li-macropores tse ling.(D) Setšoantšo sa Transmission electron microscopy (TEM) se bontšang pakete e teteaneng ea 7- ho ea ho 10-nm silica nanoparticles e le lisebelisoa tsa mohaho oa thepa ea matrix e porous.(E) Porosity ea sebopeho sa matrix se hlophisitsoeng bakeng sa likarolo tse fapaneng tsa molar tsa ILE mabapi le SiO2 (x boleng).Mohala o nang le dashed o fana ka porosity ea theory e lekantsoeng ho tloha karolong ea molumo ea ILE le silika.Lisampole tse hlatsoitsoeng ka acetone (li-square tse ntšo) li ne li omisitsoe moeeng, e leng se fanang ka ho putlama ha karolo ea sebopeho bakeng sa x> 0.5.Supercritical CO2 ho omisoa ha ethanol-rised nano-SCE (li-circles tse tala) ho thibela ho putlama ho fihlela x = 2 bakeng sa ho tlosoa butle butle ha CO2 (sedikadikwe se bulehileng).BET, Brunauer-Emmett-Teller.Mokoloto oa setšoantšo: Fred Loosen, imec;Akihiko Sagara, Panasonic.

(A) IR spectra ea nano-SCE e omisitsoe ka har'a vacuum (e ntšo) 'me ka mor'a moo e omisitsoe ka lebokoseng la li-glove le 0.0005% RH bakeng sa matsatsi a 9 (e putsoa)' me e pepesehetse 30% RH bakeng sa matsatsi a 4 (e khubelu) le ho 60 % RH bakeng sa matsatsi a 8 (botala), ka ho latellana.kapa, likarolo tse sa lumellaneng.(B) Cyclic voltammograms ea stack ea Li/SCE/TiN e nang le x boleng ba 1.0 (buluu), 1.5 (botala), le 2.0 (khubelu) le tsa ILE reference (e ntšo);sets'oants'o se bonts'a hajoale sekala sa logarithmic.(C) Cyclic voltammograms ea Li / SCE (x = 2) / 40-nm TiO2 stack (e khubelu), ILE (matheba a matšo), le ILE spiked ka 5 boima % (wt %) H2O (dash-dotted blue line);ho (B) le (C), litekanyo tse nang le ILE le ILE tse nang le H2O li entsoe ka mokhoa oa li-electrode tse tharo le TiN e le electrode e sebetsang le Li e le li-electrode tsa counter le reference.SCE e omisitsoe matsatsi a 2 ka lebokoseng la liatlana ka mor'a ho omisoa ka vacuum.

The ionic conductivity (σi) ea vacuum-annealed nano-SCE ea rona e ile ea eketseha ka karoloana ea molumo oa ILE (x boleng) ha e le bakeng sa likaroloana tsa likaroloana (sa feiga. S1).Leha ho le joalo, tabeng ena, conductivity ea ionic e feta ea ILE e hloekileng ka boeona ka ho feta 200% bakeng sa litekanyetso tse phahameng ka ho fetisisa tsa x (setšoantšo sa 3).Ho feta moo, ho itšetleha ka mocheso oa nano-SCE ka ion conductivity e ntlafetseng e bontšitse boitšoaro bo fapaneng le ba ILE e hloekileng: Le hoja Li-TFSI ho BMP-TFSI ILE e bontša phetoho e hlakileng ea conductivity le matla a ho kenya letsoho (slope) ho potoloha ho qhibiliha. ntlha ea motsoako ka 29 ° C, nano-SCE e nang le conductivity e ntlafetseng ha e etse joalo.Ho e-na le hoo, e bontša phapang e tsoelang pele ho σi le mocheso, e bontšang hore mofuta o neng o sa tsejoe oa karolo kapa mesophase o thehiloe, e leng eona e ikarabellang bakeng sa ho ntlafatsa conductivity.Ho feta moo, moepa o monyenyane 'me kahoo o theola matla a ho kenya ts'ebetsong bakeng sa ho hasana bakeng sa nano-SCE ha e bapisoa le ILE e bonts'a thepa e fapaneng ea thepa (sa feiga. S3).Ho nahanoa hore tšebelisano e matla pakeng tsa limolek'hule tsa metsi a ionic le leqhoa le tiileng holim'a scaffold ea silika e ikarabella bakeng sa boitšoaro ba mesophase e hlokometsoeng, joalo ka ha ho tla buisanoa le mohlala o reriloeng ka tlase.

(A) Ho itšetleha ka mocheso oa conductivity ea nano-SCEs e omisitsoeng ka matsatsi a 8 ka lebokoseng la li-glove (GB) e nang le litekanyetso tsa x tsa 2 (li-square tse ntšo), 1.75 (li-circles tsa lamunu), 1.5 (li-triangles tse putsoa), le 1.0 (li-triangles tse tala ) le tšupiso ea ILE (masekoere a bulehileng).(B) Conductivity ea li-nano-SCEs le tsona li omisitsoe ka GB bakeng sa matsatsi a 0 (mabala a matala), matsatsi a 10 (li-triangles tse ntšo), le matsatsi a 138 (li-triangles tse putsoa).(C) Conductivity khahlano le square motso oa nako ea ho omisa ea nano-SCE e nang le x boleng ba 2 (masekoere a matšo), 1.5 (likhutlotharo tse putsoa), 1.0 (likhutlotharo tse tala), le 0.5 (litaemane tse sootho).(D) Conductivity ea nano-SCE e nang le x = 2 (masekoere a matšo), 1.5 (likhutlotharo tse putsoa), le 1.0 (likhutlo-tharo tse tala) li pepesitsoe ka phaposing ea mongobo e tletseng N2.

Sepakapaka sa argon ka lebokoseng la li-glove se na le metsi a ka tlaase ho 0.1 ppm, a lumellanang le 0.0005% RH, khatello ea metsi a sa fellang a 0.01 Pa, kapa ntlha ea phoka ea -88 ° C.Ha palo ea likhahla tsa metsi a adsorbed holim'a silika e felisitsoeng ke silanol e lekana le khatello e sa fellang ea metsi (sa feiga.Setšoantšo sa 3C se bonts'a phetoho ea conductivity bakeng sa 23 μl ea nano-SCE e le mosebetsi oa nako ea ho lula ka lebokoseng la li-glove.The ion conductivity ea fokotseha ka ho omisa ho fihlela e tlala ka boleng bo lekanang le bokaholimo ba silica ka tekano le khatello ea karolo ea metsi ea 0.01 Pa lebokoseng la liatlana.Esita le tlas'a maemo a omileng haholo a lebokose la li-glove, bonyane, ho na le monolayer e sa fellang ea metsi a adsorbed holim'a silanol, kaha Raman spectroscopy e ntse e bontša letšoao ho 3524 cm-1, e tobileng bakeng sa monolayer ea pele ea metsi a adsorbed holim'a silanol. (Setšoantšo sa 4B).The ion conductivity tlas'a saturated maemo a ne a le hantle ka tlaase ho moo ea motho ILE maemong 'ohle.Kahoo, ntlafatso ha ea lekana ho lefella tahlehelo ea conductivity ea ionic ea ILE e koaletsoeng bohareng ba pore.

(A) IR spectra ea nano-SCE e nang le boleng ba x ba 1.5 (khubelu), referense ea ILE (e ntšo), le SiO2 (putsoa), e bontšang hore sehlopha sa O═S═O (1231 cm−1) se ameha tšebelisano le lihlopha tsa OH holim'a silika.(B) Raman spectra ea nano-SCE e nang le x ea boleng ba 2 (e ntšo), 1.5 (khubelu), le 0.5 (e putsoa), e bontšang boteng ba metsi a leqhoa a kopantsoeng le silika e felisitsoeng ke silanol esita le bakeng sa nano-SCE e haufi le saturation (0.0005 % RH) ka lebokoseng la liatlana (matsatsi a 30).(C) Mohlala o reriloeng bakeng sa tšebelisano ea li-interface ho nano-SCE le ho arohana Li-TFSI ho Li+ ea mahala ha TFSI- anion e arolelana karolo ea tefiso ea eona e mpe le lera la adsorbed ice-TFSI-BMP;mebala e emela likarolo tse fapaneng tse nang le pherese (silicon), e khubelu (lithium), e mosehla o lefifi (sebabole), lamunu (oksijene), e putsoa (naetrojene), e tšoeu (hydrogen), le e tala (fluorine).Mehala e pherese e pherese e emela tlamo ea hydrogen pakeng tsa sehlopha sa O═S sa TFSI anion le lihlopha tsa OH tsa silika ea hydroxylated.Li-ion tsa Li + tse lokollotsoeng ke dipole holim'a lera le adsorbed li ka falla ka mehala e latelang ea mohala kapa ea hasanya ea ionic ka holim'a likarolo tsa sebopeho.Hlokomela hore ho itšetlehile ka matla a maqhama a hydrogen le tefiso e lekanang le silika, lesela le nang le li-adsorbed tse ngata le ka thehoa.Ponahalo e felletseng e bonts'oa feiga.S8.

Tlhokomeliso e khahlisang ke kamano ea mohala le motso oa lisekoere oa nako ea ho omisa joalo ka ha ho bonts'itsoe ho Setšoantšo sa 3C, se bontšang hore phetoho ea conductivity e lekana ka ho toba le liphetoho tse teng ka bongata ba metsi a leqhoa a adsorbed holim'a silika le hore ho tlosoa ha metsi ana a holim'a metsi ke phano e lekantsoeng.Hlokomela hore "ho omisa" ho etsahala feela sebakeng se bulehileng moo RH e leng tlaase ho feta bakeng sa sekhahla sa leqhoa se leka-lekaneng.The conductivity ha ea ka ea fetoha e hlokomelehang, ka mohlala, liseleng tsa tšepe tse koetsoeng tse sebelisetsoang litekanyo tse itšetlehileng ka mocheso.

Ho itšetleha ka mocheso oa nano-SCE ho ile ha lekanyetsoa ka linako tse fapaneng tsa ho omisa ka lebokoseng la liatlana.Ha conductivity ea nano-SCE e omisitsoeng e atamela ea ILE, litlaleho tse tsoelang pele tsa σi khahlanong le 1 / T bakeng sa conductivity ea mesophase butle-butle li fetohile ho profil bakeng sa ILE, hape li senola lerotholi le pota-potileng ntlha ea ho qhibiliha (fig. S3).Tlhokomeliso ena e ts'ehetsa maikutlo a hore leqhoa le sebetsa joalo ka lera le sebetsang bakeng sa tšebelisano-'moho le ILE, e leng se hlahisang boitšoaro ba mesophase ho nano-SCE.Kahoo, ha lera le sebetsang le tlosoa, ILE e fetoha feela ka har'a membrane ea mesoporous oxide.

Litekanyo tsa fensetere ea botsitso ba electrochemical li tiisa hore metsi a leqhoa a nano-SCE a tsitsitse, kaha ha ho na litlhōrō tsa ho fokotsa metsi kapa oxidization tse ileng tsa hlokomeloa ka electrode ea inert ea TiN (Setšoantšo sa 2) kapa ho TiO2 e tšesaane-filimi electrode, e seng e sebetsa ka tsela e fapaneng. joalo ka sesebelisoa sa motlakase bakeng sa phokotso ea metsi.Ho e-na le hoo, botsitso ba electrochemical ba nano-SCE bo tšoana haholo le ba ILE 'me kahoo bo fokotsoe ke oxidation ea TFSI- ka matla a electrode> 4.3 V le ho fokotseha ha TFSI- le BMP + ka matla a <1 V khahlanong le Li +/Li (33).Ha ho bapisoa, voltammogram e bontšoa bakeng sa ILE e nang le boima ba 5% (wt%) metsi a ekelitsoeng (litaba tse tšoanang le tse ling tsa nano-SCE; bona tafole S1).Tabeng ena, lekala la cathodic bakeng sa ho fokotsa metsi le lekanyetsoa hang-hang ho latela tlhōrō ea Li-intercalation ea anatase ho 1.5 V khahlanong le Li +/Li.

Thermal le (electro) lik'hemik'hale botsitso ba nano-SCE hangata e khethoa ke ILE filler.Tlhahlobo ea Thermogravimetric (TGA) e bontšitse botsitso ba mocheso oa SCE le ILE ho fihlela ho 320 ° C, ho sa tsotellehe tekanyo ea ILE-to-silica (fig. S4).Ka holim'a mocheso ona, Li-TFSI le BMP-TFSI li senyeha ka ho feletseng ho likarolo tse feto-fetohang, 'me ho sala feela matrix a silica ho pota 450 ° C.Liperesente tse ngata tse setseng ka mor'a ho bola ha mocheso li hlile li tsamaellana hantle le karoloana ea silika ho SCE.

The nano-SCE o ile a bontša ha ho na e hlakileng microstructure ka skena elektrone microscopy (SEM) haese bakeng sa holim'a boreleli le ba bang ba silika likoatipa peeking tsoa (sa feiga. S5).Boima bo itseng ba SCE bo ne bo khethiloe ka pycnometer ea helium 'me e ne e le haufi le 1.5 g / cm3 bakeng sa litekanyetso tsohle tsa x (tafole S1).Sehlahisoa se feletseng sa silica se ile sa senoloa ke ho ntšoa ho khathatsang ha ILE ka har'a motsoako (sheba Lisebelisoa le Mekhoa).Ka ho omisa ka hloko sebakeng sa bohlokoa sa CO2, airgel monoliths e tsitsitseng e ka fumanoa joaloka e bontšitsoeng setšoantšong sa 1A.Tlhahlobo ea SEM e bonts'a scaffold ea silika ea mesoporous e nang le 10- ho 30-nm pore bophara, e pota-potiloeng ho pota-pota macropores a maholoanyane a 100 ho ea ho 150 nm, joalokaha ho ka bonoa setšoantšong sa 1 (B le C).High-resolution transmission electron microscopy (TEM) (Fig. 1D) e ile ea boela ea pepesa sebopeho sa microstructure se entsoeng ka li-nanoparticles tsa silika tse haufi-ufi.Karolelano ea bophara ba karoloana e ne e tloha ho 7 ho isa ho 14 nm bakeng sa x boleng pakeng tsa 0.5 le 1.5.

Sebaka se khethehileng sa holim'a metsi [Brunauer-Emmett-Teller (BET)], porosity, boholo ba pore e tloaelehileng, le kabo ea boholo ba pore e ne e khethoa ka litekanyo tsa N2 adsorption / desorption (tafole S1 le feiga. S6).Ho putlama ka mokhoa o itseng ha sebopeho le ho tlosoa ho sa phethoeng ha adsorbed ILE ho ka 'na ha hlahisa lipalo hampe.Ho ntšoa ka hloko ha mokelikeli oa ionic le ho omisa butle ho sebelisa CO2 e phahameng e fanoeng, leha ho le joalo, liphetho tse tšepahalang li haufi le porosity e lebelletsoeng e baloang ho tloha karolong ea molumo oa ILE ho silika (setšoantšo sa 1).Sebaka sa BET se pakeng tsa 800 le 1000 m2/g.Bophahamo bo boholo ba pore bo fumanoeng ho tloha moepeng oa isotherm bo pakeng tsa 7 le 16 nm.Ho phaella moo, karoloana e nyenyane ea li-pores tse khōloanyane ho fihlela hoo e ka bang 200 nm e ne e lekantsoe (sa feiga. S6), ho latela maikutlo a SEM.Bophahamo ba pore bo lumellana hantle le habeli botenya bo lekanang ba lera la ILE le fumanoang ho tsoa karolong ea ILE ea molumo le sebaka sa BET, ho bolelang hore mesopores e tletse ka ho feletseng ILE.

Sebaka se tlalehiloeng sa BET ke sa mesopores le macropores feela.Bakeng sa matrix a acetone-rised, micropores (~ 0.6 nm) le tsona li ne li lekanngoa.Li-micropores li fumanoa pakeng tsa li-silica nanoparticles tse etsang sebopeho joaloka tse bontšitsoeng setšoantšong sa TEM sa setšoantšo sa 1D.Sebaka se phahameng se eketsehileng sa sebaka se pakeng tsa 650 (x = 0.5) le 360 m2 / g (x = 1.5) se hakanngoa (tafole S1).

Ka bobeli FTIR le Raman spectra li bonts'a bopaki bo hlakileng bakeng sa lihlopha tsa silanol tse nang le limolek'hule tsa metsi a leqhoa tse adsorbed holim'a silika e phahameng ea porosity e nang le libaka tse sebetsang ka ho fetesisa tse fetang 1400 m2/g ha ho nahanoa ka li-micropores, mesopores le macropores.Pakeng tsa zero le tse tharo tsa metsi a monolayers ho hakanngoa ho tloha metsing a feteletseng ho nano-SCE bakeng sa x <1.75.Bakeng sa silika ea planar, li-monolayers tse tharo tsa pele tsa metsi a adsorbed ka sebele li nkoa e le tse sa sisinyeheng le tse tiileng-joaloka ka lebaka la bonding ba tsona bo matla ba hydrogen ho ea holimo ho OH-felisitsoeng (32) (bona feiga. S2).The O─H e otlolohileng e amanang le silanol hydrogen e kopantsoeng le leqhoa la metsi a leqhoa e fumanoa ho 3540 cm-1 ho ponahalo ea FTIR.Li-nano-SCE tsohle li bontša, ka sebele, tlhōrō e ikhethang ho 3540 cm−1 bakeng sa metsi a leqhoa ka mor'a ho omisoa ha vacuum le ka mor'a ho omisa hape ka lebokoseng la li-glove (Setšoantšo sa 2).Esita le bakeng sa equilibrated nano-SCE ka 0.0005% RH (glove lebokose le reng), Raman spectroscopy ntse a bontša ho ba teng ha bonyane leeme monolayer (sa feiga. 4B).Monolayer oa bone holim'a silika ea planar ho lumeloa hore ke lera la nakoana, ho bolelang hore le ntse le le teng 'me le thibetsoe empa le ka ba le motsamao o itseng.Ho tloha karolong ea bohlano ho ea pele, metsi a fetoha a tsamaeang 'me a tšoana le metsi.Metsi a kang metsi a tla hlaha ka lipalo tse phahameng tsa maqhubu sebonong sa FTIR ka lebaka la boemo bo tlase ba H-bonding metsing a mokelikeli.Bakeng sa nano-SCE e pepesehileng ho 60% RH, 3540-cm−1peak ehlile e bonts'a ho sisinyeha ho eketsehileng ho fetiselitsoeng ho linomoro tse phahameng tsa maqhubu ka lebaka la lera la metsi a adsorbed a eketsehileng.Ho thahasellisang tabeng ena ke teko moo sampole e ile ea pepeseha ho 30% RH, kaha ha ho na metsi a metsi a ntseng a lebeletsoe ho silica ka mongobo ona (sa feiga. S2).Bakeng sa sampole ena, ke tlhoro ea 3540 cm−1 feela ea metsi a leqhoa e bonoang ho FTIR.Ho phaella moo, ha ho tlhōrō ea metsi a sa lefelloeng e ileng ea fumanoa ho 1635 cm−1 esita le ka mor'a matsatsi a 4 ho 30% RH.Sena se bolela hore metsi ha a nkoe ke hygroscopic Li-TFSI e qhibilihisitsoeng ka har'a hydrophobic BMP-TFSI hang ha nano-SCE e omisitsoe ke vacuum treatment.Ka hona, metsi leha e le afe a eketsehileng a SCE a tla ba adsorbed holim'a silika e felisitsoeng ea OH.Kahoo, ha e le silika ea planar, matrix ea silika ea SCE e lekana le khatello e sa fellang ea metsi tikolohong.

E le ho hlahloba khopolo-taba ena ka ho eketsehileng, ion conductivity ea nano-SCE (x = 1, 1.5, le 2) e ne e lekanyelitsoe ho fapaneng% RH;disampole li ne li pepesehetse motsoako o laoloang oa khase ea N2 e omeletseng le e kolobisitsoeng ka lebokoseng la li-glove bakeng sa matsatsi a 2 ho lumella metsi a adsorbed ho finyella tekano (setšoantšo sa 3D).Bakeng sa lintlha tse ho ~ 0% RH, ho nkiloe conductivity bakeng sa nano-SCE e lekantsoeng ka lebokoseng la li-glove.Ho makatsang ke hore profil ea ion conductivity khahlano le RH (%) e ile ea latela boitšoaro bo lebelletsoeng bakeng sa papatso ea metsi holim'a silika ea planar (fig. S2).Pakeng tsa 0 le 30% RH, conductivity e ile ea eketseha ka RH e ntseng e eketseha.joalo ka ha ho lebelletsoe bakeng sa keketseho ea sekhahla le botenya ba adsorbed (ho tsamaellana le leqhoa le le leng ho isa ho tse tharo holim'a silika e planar).Hlokomela hore FTIR e bontšitse hore ha ho na metsi a mahala a neng a le teng nano-SCE ka matsatsi a 'maloa ho 30% RH.Phetoho e bonoa ho pota 50% RH, e tsamaellanang le maemo ao ho lebeletsoeng hore ho be le lera la metsi a feto-fetohang bakeng sa silika ea planar.Qetellong, keketseho e ikhethang ea conductivity ea ion e fumanoa ho 60% le mongobo o phahameng moo, ka ho tšoana le silika ea planar, hona joale, ho ka etsahala hore ebe lera la metsi le kang la metsi le ka thehoa pakeng tsa silika le ILE e kentsoeng.Ka FTIR, lera la metsi a metsi holim'a leqhoa le se le bonoa ka ho fetoha ha tlhōrō ea silanol / leqhoa / metsi a vibrational ho matla a phahameng (Setšoantšo sa 2A).Phetoho e hlokometsoeng ho conductivity e ka fetoloa;ka hona, nano-SCE e ka sebetsa e le sensor ea mongobo le electrolyte ea Li-ion.Ho tloha setšoantšong sa 3D, conductivity ea ion ea nano-SCE hang ka mor'a hore ho be le vacuum anneal e lumellana le silika ea hydrated e leka-lekaneng ea ~ 10% RH.The ion conductivity bakeng sa saturation maemong a omileng kamoreng (~ 0.5% RH) e ne e tla ba ho pota 0.6 mS/cm (bakeng sa x = 2).Teko ena e bonts'a ka ho hlaka phello ea metsi a kopaneng ho conductivity ea ion.Bakeng sa RH> 60%, conductivity e phahameng ea ion e ka hlalosoa ka phallo e potlakileng ea Li+ e qhibilihisitsoeng ka lera le kang la metsi.Leha ho le joalo, tabeng ea leqhoa le tiileng la leqhoa, phallo ea Li + ion e ne e tla ba mofuta o tiileng oa ho hasana 'me kahoo butle ho feta ka mokelikeli oa ionic ka boeona.Sebakeng seo, ntlafatso e hlahisoa ke ho ntlafatsoa ha li-anion tsa organic le cations tsa Li-letsoai le limolek'hule tsa metsi a ionic, joalo ka ha ho khothalelitsoe moetsong o ka tlase.

Re etsa tlhahiso ea mohlala moo limolek'hule tsa mokelikeli oa ionic li adsorbed holim'a silika holim'a H-marokho a nang le leqhoa le sa sisinyeheng la lihlopha tsa silanol (setšoantšo sa 4).Sebopeho sa tlhaho sa hydrolysis condensation reaction se fana ka matla a phahameng ka ho fetisisa a silanol (4 × 1014 ho 8 × 1014 cm−2, e lumellanang hantle le boima ba leqhoa le le leng le nang le ~ 8 × 1014 limolek'hule tsa metsi ka cm2) (34).Bopaki ba litšebelisano tsa limolek'hule lipakeng tsa liathomo tsa O tsa li-anion tsa TFSI le silika li fanoe ke FTIR, e bonts'ang ho imena habeli ha tlhoro ea O═S═O bakeng sa nano-SCE eohle ha e bapisoa le referense ea ILE (Fig. 4A; full spectra ka feiga.Phetoho ea tlhōrō e eketsehileng ka hoo e ka bang −5 cm−1 ho tloha 1231 cm−1 e bontša tlamahano ea lihlopha tsa O═S═O bonyane karolo ea li-anion tsa TFSI.Ka hona, H-bonding ea TFSI anions holim'a leqhoa la metsi a leqhoa le nkoa.Ka mor'a moo, li-cations tse kholo tsa hydrophobic BMP li amahanngoa le lera la pele la TFSI, li tlatsa lera la pele la adsorbed la limolek'hule tsa metsi a ionic.Ha e le leqhoa, limolek'hule tsa adsorbed tsa BMP-TFSI ho nahanoa hore hangata ha li tsamaee, kahoo li atolosa leqhoa le tiileng le kang leqhoa holim'a silika.Joalokaha anion ea TFSI e na le sehlopha sa O═S═O sa symmetric, athomo e le 'ngoe ea oksijene e ka sebelisana le sebaka sa silica sa hydroxylated ha e' ngoe e etsa lintlha tse khomarelang bakeng sa li-cations tsa BMP.TFSI anion e boetse e na le lihlopha tse peli tsa O═S═O, tse netefatsang papatso e tiileng le tatellano e teteaneng ea anion monolayer.Adsorption e sebetsa hantle haholo tabeng ea leqhoa le teteaneng le nang le sekhahla se phahameng ka ho fetisisa sa lihlopha tsa OH e le lintlha tse ka khomarelang.Ka pel'a lihlopha tsa silanol feela, papatso e ka 'na ea se ke ea e-ba matla ka ho lekaneng ho etsa lera le tsoelang pele la adsorbate.Ho phaella moo, palo e ntseng e eketseha ea li-ice monolayers e tsejoa ho eketsa matla a hydrogen bond (35).Hlokomela hore litšebelisano tsa limolek'hule pakeng tsa cation ea BMP le TFSI monolayer e laetsoeng e tla fapana le ea mokelikeli oa ionic moo TFSI anion e nang le bolokolohi ba ho potoloha 'me ha ho polarization ho tsoa sebakeng se ka tlase.Tefiso ea cation e kholo ea BMP e hlile e ajoa holim'a liathomo tse ngata ka polarization ea li-bond tsa kahare le ka tšebelisano ea limolek'hule le tikoloho ea eona ea lik'hemik'hale, haholo-holo, anion ea TFSI e bapalitsoeng.Ho kopana ha H pakeng tsa sehlopha sa O sa TFSI anion le ho felisoa ha OH ea leqhoa hona joale ho hlahisa dipole holim'a lera la pele la adsorbed, e leng ho susumetsang taelo e eketsehileng ea limolek'hule ka mokhatlo.Ho lumeloa hore nakong ena, limolek'hule tse nyane tsa Li-TFSI li adsorb holim'a lera la limolek'hule moo TFSI anion joale e lefang tefiso e setseng ea dipolar ea cations e le 'ngoe kapa tse ngata tsa BMP sebakeng se kaholimo, ka hona e lokolla kamano ea eona le Li ion.Ka tsela ena, khatello ea Li + ea mahala e eketsoa sebopehong sena, e lebisang ho conductivity e phahameng ea ion.Ka hona, liqhomane tse teteaneng le tse teteaneng li hlahisa dipole tse kholoanyane tse nang le tefiso e phahameng ea masala ho lefa, li fana ka khatello e phahameng ea mahala ea Li+ ka hona conductivity ea ion.

Ka holim'a lesela la adsorbed ILE, ekaba e 'ngoe ea ILE e ka khabisoa e ts'oanang le li-ice multilayers tse holim'a silika kapa ho hula ha dipole tsa leqhoa ho fokola haholo' me ILE e tlamisoa habobebe e ka holimo, e ka fanang ka conduction e kang ea metsi bakeng sa Li-ion tsa Li + tse lokollotsoeng karolong e ka tlaase ea adsorbed (Setšoantšo sa 4C).Phetoho ea khatello ea mahala ea Li + ion e ile ea tiisoa ke litekanyo tsa pono tsa NMR le Raman.Litekanyo tsa Raman li bontša ka tsela e sa tobang hore karolo e kholoanyane ea Li + ion ea mahala e hlile e teng ho nano-SCE e nang le likarolo tse ngata tsa metsi a leqhoa tse tlameletsoeng ho silika (setšoantšo sa 5).Raman e lekanya kamano ea cation le TFSI ka ho hlahloba ho sisinyeha ha sehlopha sa N sa anion ea TFSI (36).Ka metsi a ionic a BMP-TFSI, ho bonoa tlhoro e le 'ngoe feela ho 741 cm−1.Tabeng ea ILE e hloekileng, tlhōrō e eketsehileng e bonoa ho 746 cm−1 moo li-anion tse peli tsa TFSI li hokahanyang le Li + ion e le 'ngoe [bona lipalo tsa density functional theory (DFT) ho Lisebelisoa le Mekhoa].Bakeng sa li-nano-SCE tsohle, matla a holimo ho 746 cm−1 a fokola ho feta a ILE, a bontšang karoloana e nyenyane ea Li-TFSI e amanang le eona, ka lebaka leo, karolo e kholoanyane ea li-cations tsa Li + tse sa amaneng kapa tse sa lefelloeng.Tlhōrō e fokotseha haholo bakeng sa li-nano-SCE tse bontšang ntlafatso e phahameng ka ho fetisisa ea conductivity, ke hore, tse nang le leqhoa le teteaneng ka ho fetisisa.Bakeng sa nano-SCE ka tekano ka lebokoseng la liatlana, ho ntse ho le joalo, karoloana ea Li+ ea mahala e lekantsoe le hoja e le nyenyane haholo ho feta lisampole tse entsoeng ka vacuum-annealed.Karolelano ea matla a tlhōrō bakeng sa 746 ho feta 741 cm−1 Raman shifts joale ke tekanyo ea karolelano ea mahala ho TFSI-associated Li-ions (Fig. 5B).Keketseho e lekanang ea karoloana ea mahala ea Li+ ion e nang le boleng ba x e latela hantle mokhoa oa ntlafatso ea conductivity ka boleng ba x ho Feiga. 138).

(A) Ponahalo ea Raman ea mokelikeli oa ionic (IL; mola o moputsoa o nang le matheba) le tšupiso ea ILE (ILE; mola o nang le matheba a matheba) e le nano-SCE e lokisitsoeng (vacuum e omisitsoeng) e nang le boleng ba x ba 0.5 (botala), 1.5 (bosehla) , le 2 (sootho) le ea nano-SCE (x = 1.5) ho phaella moo e omisitsoeng ka lebokoseng la li-glove ka matsatsi a 30 kapa haufi le saturation ho 0.0005% RH (e khubelu).Mela e emeng e tšoaea phetoho ea Raman bakeng sa TFSI le setsi sa eona sa N se hokahantsoeng ho Li+ (746 cm−1) 'me ha e hokahane le Li+ (741 cm−1), ka ho latellana.(B) Karo-karolelano ea mahala ea ho hokahanya Li + ea nano-SCE ha e kopantsoe (li-vacuum tse omisitsoeng, li-circles tse ntšo) hape li omisitsoe ka mabokoseng a liatlana ka 0.0005% RH ka matsatsi a 30 (litaemane tse putsoa), tse tsamaellanang le karo-karolelano ea matla a kopaneng a Litlhōrō tsa Raman (746 cm−1 ho feta 741 cm−1).(C) PFG-NMR-derived Li + self diffusion coefficient ea nano-SCE (litaemane tse khubelu) le ILE ref.(black squares) joalo ka ts'ebetso ea karohano lipakeng tsa matla a khoheli a matla a khoheli.Litlhōrō tsa khopolo-taba ho Raman spectra li ile tsa etsisoa ho sebelisoa lipalo tsa DFT.

Ho tloha ho NMR ea pulsed-field gradient NMR (PFG-NMR), coefficient e ikemetseng ea mefuta e fapaneng ea Li-ion ea mobile e ile ea khethoa e le ts'ebetso ea nako lipakeng tsa matla a khoheli a matla a khoheli ∆ bakeng sa referense ea metsi ea ILE le bakeng sa nano- SCE (x = 1.5) e nang le ion conductivity e tšoanang ea 0.6 mS / cm (setšoantšo sa 5C).Li-self-diffusion coefficient ho ILE referense e ne e lula e le teng, e bontšang hore ke mofuta o le mong feela oa Li o nang le motsamao o tšoanang haholo o teng ka har'a mokelikeli.Bakeng sa nano-SCE, coefficient ea ho itšehla thajana e fapane le ∆ mme e feta ea ILE ka nako e khutšoanyane ∆, e bontšang ho ba teng ha mefuta e potlakileng e arabelang feela ka nako e khutšoanyane pakeng tsa maqhubu a matla a khoheli.The gradiente in self-diffusion coefficient e fana ka maikutlo a hore haufi le keketseho ea mahala ea Li-ion concentration, joalo ka ha ho nahanoa ho tsoa ho Raman spectroscopy, matla a ts'ebetso ea ho hasanya a theoleloa lera la sefahleho sa mesophase hape.Sena se ts'ehetsa ntlafatso ea conductivity e hlahisitsoeng ke (ho feta) li-ion tsa mahala tsa Li + lera la mesophase.Ka nako e telele ∆, coefficient ea ho itšehla thajana e ne e le tlase ho feta ea referense ea ILE.Sena se tiisa tšebetso e tlase haholo ea ion bakeng sa lebokose la liatlana-saturated nano-SCE ha e bapisoa le ILE.ILE e kentsoeng mokokotlong oa mesopores e tla ba le viscosity e phahameng ka lebaka la thibelo ea motsamao oa limolek'hule.Ka hona, ntlafatso ea ho theha li-ion tse phatlollang ka potlako sehokelong sa silica/ice/ILE e tlameha ho fetelletsa ho fokotseha ha conductivity khubung ea pore.Sena se hlalosa ho ba sieo ha ntlafatso ho litsamaiso tse thehiloeng ho likaroloana moo li-interfaces li sa faneng ka ts'ebetso e lekaneng ea ion conduction (fig. S1).

Ho tsitsa ha electrochemical ea nano-SCE khahlanong le tšepe ea lithium ho ile ha lekoa ka ho sebelisa lisebelisoa tse tharo tsa electrode (schematic ea setup e bontšoa feiga. S7).Tšobotsi ea hona joale e ka khonehang ea Li / SCE (x = 1.5) le Li / ILE halofo ea sele e bontšoa setšoantšong sa 6A.Ha e le fensetere ea electrochemical setšoantšong sa 2, electrochemistry e lekanyelitsoe ke ILE filler.Ho fetoloa ha lithium plating le ho hlobola hoa bonoa.Lera le tsitsitseng la electrolyte interphase (SEI) le thehoa ho metallic lithium e nang le RSEI e ka bang 0.9 kilo-ohm·cm2, e ikarabellang bakeng sa ho theoha ho hoholo ha IR ho iU curve ka mahlakoreng a mabeli a cathodic le anodic.Hona joale cathodic ka tharollo e hloekileng ea ILE ha ea ka ea bontša hysteresis leha e le efe ho fihlela -2.5 mA / cm2.Leha ho le joalo, ho qhibiliha ha anodic ho bontšitse tlhōrō ea passivation e nang le boemo bo tsitsitseng ba anodic ea 0.06 mA / cm2 feela.Lekala la hona joale la cathodic ho sebopeho se tiileng sa Li / SCE ha se bontše hysteresis bakeng sa maqhubu a cathodic ka tlase ho -0.5 mA / cm2.Leha ho le joalo, khanyetso ea SEI e ne e ka ba habeli.Ka mokhoa o ts'oanang, tlhōrō ea anodic e ne e le tlaase 'me boemo bo tsitsitseng ka mor'a hore tlhōrō ea anodic passivation e be 0.03 mA / cm2, halofo feela ea tharollo ea ILE e hloekileng.Sebopeho sa SEI le likarolo tsa passivation ka har'a li-pores tsa SCE li fokotsa hona joale ho lithium metal.Ka bobeli li-voltammograms bakeng sa li-electrode tsa Li / ILE le Li / SCE li ne li ka ikatisa holim'a li-cycle tse ngata, tse bontšang hore lesela la anodic passivation le lik'hemik'hale tsa SEI li ka fetoha hape li tsitsitse.Li-kinetics tsa ho qhibiliha butle ho sebopeho sa Li / SCE li fokotsa haholo ts'ebetso ea halofo ea lisele tse entsoeng ka li-anode tsa Li metal tse ka tlase.

(A) Cyclic voltammogram ea nano-SCE (x = 1.5, e entsoeng ka mor'a ho omisoa ha vacuum) (e khubelu) le ILE referense (e ntšo) e lekantsoeng ka tlhophiso ea li-electrode tse tharo le Li e le li-electrode tse sebetsang, tsa counter, le litšupiso (khanyetso ea SEI e hakanngoa ho tloha Ho theoha ha IR ho cathodic current ke 0.9 le 1.8 kilo-ohm·cm2 bakeng sa ILE le SCE, ka ho latellana).(B) Li-galvanic charge / discharge curves tsa Li / SCE (x = 1) / 100-nm tšesaane-filimi LiMn2O4 sele bakeng sa lipotoloho tse hlano ho C-likhahla tsa 1C, 5C, le 20C.(C) Cyclic voltammograms ea Li / SCE / 40-μm Li4Ti5O12 le Li / SCE / 30-μm LiFePO4 phofo ea electrode lisele (1 mV / s).(D) Li-galvanic charge / discharge curves tsa Li / SCE / 40-μm Li4Ti5O12 phofo ea electrode ho 1C, 0.1C, 0.2C, le 0.02C.(E) Li-galvanic charge / discharge curves tsa Li / SCE / 30-μm LiFePO4 phofo electrode ho 1C, 0.5C, 0.2C, 0.1C, 0.05C, le 0.01C.(F) Bokhoni (litaemane tse tletseng bakeng sa delithiation le libaka tse bulehileng bakeng sa lithiation) khahlanong le palo ea potoloho ea Li/SCE/30-μm LiFePO4 phofo electrode;botenya ba SCE liseleng bo ka ba 280 μm.Boima ba LFP le LTO cathode ke hoo e ka bang 1.9 le 11.0 mg / cm2, ka ho latellana.(G) E ka bang teng khahlano le nako ea li-curve tsa Li/SCE/Li stack e tsamaellanang ka libaesekele tsa 0.1, 0.2, 0.5, le 0.1 mA/cm2.(H) The 1st, 10th, 125th, le polarization ea ho qetela ea stack ea Li / SCE / Li e hatelitsoeng ho 0.1 mA / cm2, e bontšitsoeng ho (G).Bakeng sa (G) le (H), SCE e na le conductivity ea 0. 34 mS / cm, 'me botenya ba SCE pellet ke 0.152 cm.

Filimi e tšesaane ea 100-nm LiMn2O4 (LMO) e ile ea sebelisoa e le eleketrode e ntle ea mohlala ho lekola botsitso ba nano-SCE le lisebelisoa tsa eleketrode ha e ntse e felisa mathata a ka bang teng ho li-electrode tse kopaneng (37).Ts'ebetso ea libaesekele ea stack ea filimi e tšesaane ea electrode / SCE e bonts'a botsitso ba sebopeho pakeng tsa electrode le electrolyte.Setaleng sena sa filimi e tšesaane, ho na le puisano e le 'ngoe feela, e hlalositsoeng hantle, le e hlophisitsoeng hantle e teng pakeng tsa electrolyte le electrode, ke hore, ke sethala se loketseng sa ho ithuta electrochemistry ea sebopeho sa electrolyte / electrode ntle le litaba tsa phetoho ea molumo. , joalo-joalo Hape tekong ena, tekanyo ea ts'ebetso ha e felle feela ke Li-foil counter electrode, kaha sekhahla sa hona joale (6 μA / cm2 bakeng sa 1C) se ka tlase ho sebaka se tsitsitseng sa anodic hona joale bakeng sa halofo ea lithium. sele (0.03 mA/cm2).Reproducible le e tsitsitseng tefiso / discharge curves fumanoa bakeng sa cutoff gagamalo ka 4.3 V bakeng sa C-litefello pakeng tsa 1 le 20C bakeng sa ho feta 20 lipotoloho (sa feiga. 6B).LMO ha e tsitsa ho electrolyte ea metsi bakeng sa LiB.Mohlala, phokotso ea matla ea 50% e ile ea bonoa tefisong ea filimi ea 100-nm LMO-e ntšitsoeng ka li-cycle tse 10 ho LiClO4/propylene carbonate electrolyte ho 1C (37).Liphetho tsa rona li bontša hore nano-SCE e lumellana haholoanyane le LMO ho feta electrolyte e tloaelehileng ea metsi.

Ho bontša ho kopanngoa ha nano-SCE, re ile ra boela ra etsa li-half-cell tse nang le li-electrode tsa phofo tsa Li4Ti5O12 (LTO) le LiFePO4 (LFP).Tharollo ea selelekela e ile ea theoleloa ka seleng ea tšepe ho kenya li-electrode tsa porous 'me tsa tloha bakeng sa gelation e eketsehileng pele li omisitsoe le ho kenngoa ka vacuum ka mokhoa o tšoanang le oa li-pellets tsa nano-SCE.Lisele li bontša tšobotsi ea lithiation / delithiation ea li-electrode tse lumellanang (setšoantšo sa 6C).Maqhubu a tlase a tlhoro ea LFP ho feta LTO a bakoa ke phapang ea botenya ba ho roala.Ts'ebetso ea sekhahla nakong ea litekanyo tsa tefiso / ho qhala e ne e se e lekanyelitsoe ke li-electrode tsa counter tsa Li-foil tse hatelitsoeng holim'a lera la nano-SCE le entsoeng ka holim'a li-electrode tse 30 ho isa ho 40-μm (setšoantšo sa 6, D le E).LTO / nano-SCE / Li sele e fihlile matla a eona a phahameng a 160 mA · hora / g feela ka tekanyo e tlaase ea C ea 0.02C (Setšoantšo sa 6D).Matla a fihlellehang a theoha ka potlako ka sekhahla sa C se ka tlase ho 10% bakeng sa likhahla tsa C tse kholo ho feta 0.1C.Ka mokhoa o ts'oanang, sele ea LFP / SCE / Li e fihlile matla a eona a ka bang 140 mA · hora / g ho 0.01C (Fig. 6E).Setšoantšo sa 6F se bonts'a ts'ebetso ea sekhahla bakeng sa kakaretso ea li-cycle tsa 30, e bontšang tlhophiso e tsitsitseng ea lisele.Liteko tsena li bonts'a ts'ebetso ea nano-SCE joalo ka Li-ion electrolyte le monyetla oa ho kopanya liseleng tsa Li-ion.

Botsitso kapa cyclability ea nano-SCE e ile ea lekoa ho sebelisoa Li/SCE/Li symmetric stack.E ne e tsamaisoa ka libaesekele bakeng sa lipotoloho tse fetang 120 ka sekhahla sa hona joale sa 0.1 mA / cm2 bakeng sa lihora tsa 0.5 (setšoantšo sa 6G) ntle le litaba kapa sebopeho sa dendrite (setšoantšo sa 6H).Matla a polarization a ile a fokotseha ha nako e ntse e ea, e leng se bontšang ntlafatso ea puisano.Ho feta moo, sele e ne e hatelloa ho fihlela likhahla tsa morao-rao tsa 0.5 mA / cm2, ntle le sebopeho sa lithium dendrites kapa matšoao a ho senyeha ha nano-SCE kapa sebopeho (setšoantšo sa 6G).Metallic lithium e tsejoa ho theha lera le sireletsang interphase kapa SEI holim'a eona ho BMP-TFSI-based ILEs (27).Karabelo ena e boetse e etsahala ho sebopeho sa lithium / nano-SCE;joalokaha ho tšohloa tlas'a setšoantšo sa 6A, SEI e ka 'na ea hōla ka tsela e itseng ka hare ho li-pores, e hlalosang ho hanyetsa ha SEI e phahameng bakeng sa nano-SCE ho feta ILE (bona ka holimo).Bopaki ba lera la SEI bo ile ba fumanoa ho IR spectra (sa feiga. S9).Ho tšoana le SEI barbotage ka classical LiB, e leng screens graphite eleketrode ho tswa ho electrolyte mokelikeli qoba karabelo e eketsehileng, re lumela hore SEI mona e boetse e sireletsa leqhoa metsi lera ho tloha karabelo ka ho eketsehileng ho tloha metallic lithium anode.Impedance spectra pele le ka mor'a polarization ea Li / nano-SCE (x = 1.5) bakeng sa lihora tsa 10 ha ea ka ea bontša phetoho leha e le efe ea ho hanyetsa bongata ba electrolyte.Litekanyo tse telele tsa ts'ebetso ea libaesekele li tla hlokahala ho kenyelletsa ho omisoa butle ha nano-SCE ka tšepe ea lithium, empa liphetho tsena li se li bonts'a bokhoni ba eona ba ho potoloha ha SCE ka betri ea lithium metal-based solid-state.Leha ho le joalo, liaparo tsa maiketsetso tsa interphase li ka nkoa e le ho ntlafatsa impedance ea interface ka ho feletseng.

Re bonts'itse hore ts'ebetso ea ion conduction libakeng tsa silica interfaces e ka finyelloa ka ho kenyelletsa lera la metsi a chemisorbed holim'a libaka tsa silika tse felisitsoeng ke OH.The TFSI anions chemisorb holim'a metsi ana a sebetsang ka ho kopanya hydrogen le sehlopha sa symmetric sa O═S═O.Bokaholimo ba metsi ha bo sisinyehe, ka hona bo boetse bo thaepa lera la TFSI le adsorbed holimo.Li-cations tse kholo tsa BMP li amahanngoa le TFSI monolayer, kahoo li hlahisa tatellano ea limolek'hule tsa TFSI-BMP holim'a metsi.Re lumela hore butle-butle gelation tikolohong e nang le metsi le ho omisa butle-butle ho thusa ho theha lesela le sebetsang la metsi le lera le hlophisitsoeng la li-ion tse phelang holim'a eona.Ha karolo ea pele ea TFSI anion layer e arolelana karolo ea tefiso ea eona e mpe le silica ea hydroxylated, BMP cation layer e ka holimo e tla batla setsoalle le anion e 'ngoe ea TFSI, moo BMP e mengata e ka arolelanang tefiso ea bona e sa lefelloeng le TFSI e le 'ngoe (mohlomong tse tharo ho isa ho tse tharo joalo ka karo-karolelano ea IL ho Li-TFSI ho ILE).Ha limolek'hule tsa letsoai tsa Li-TFSI li na le mokhoa o haufi, li-ion tsa Li + li tla ikarola 'me li lokolloe bakeng sa ho hasana ka potlako ho latela lera lena la sehokelo.Bakeng sa tsamaiso e ntlafalitsoeng, mefuta ena ea mahala ea Li+ e hloka bonyane lera le le leng la metsi a ionic ho feta.Ka lebaka lena, nano-SCE e nang le boleng bo tlaase ba x ea 0.5 ha e bontše conductivity e ntlafetseng, kaha sebaka sa ILE sa bophahamo ba silika / silica se lekane bakeng sa monolayer e le 'ngoe feela e koetsoeng.

Ho ile ha boela ha bontšoa hore metsi a holim'a metsi a tiileng-joaloka holim'a metsi kapa leqhoa ha a sebetse ka mokhoa oa electrochemical.Nakong ena, re ke ke ra qhelela ka thōko hore metsi a leqhoa a kopane ka ho toba le holim'a electrode ha a arabe.Leha ho le joalo, re bontšitse hore phallo e tsoang ka ntle ea metsi a holim'a metsi e lieha 'me kahoo ha e na thuso bakeng sa ho fumanoa.Rea hlokomela hore tšilafalo ea metsi, leha e le nyane, e tla lula e tšoenya, 'me liteko tsa nako e telele ea bophelo li ka fana ka karabo e hlakileng ea hore na metsi a tlameletsoe ka ho lekaneng.Leha ho le joalo, likarolo tse ling tse sebetsang tsa bokaholimo tse fanang ka papatso e ts'oanang kapa tse kholoanyane joale li ka ntlafatsoa.Tabeng ena, sehlopha sa Li se se se bontšitse bokhoni ba glycidyloxypropyl layer e le sehlopha se sebetsang (18).Metsi a leqhoa a tsoa ho silika 'me ka hona a loketse ho ithuta phello ea ts'ebetso ea holim'a holim'a ts'ebetso ea ion conduction ka mokhoa o hlophisitsoeng, joalo ka ha ho bontšitsoe ka katleho mona.Ho feta moo, lera la mesophase le dipole tsa lona li tla itšetleha ka oxide le limolek'hule tsa tlhaho tse adsorbed 'me kahoo li ka hlophisoa ka bobeli.Ka laboratoring, re se re bontšitse liphapang tse kholo ho nts'etsopele ea ion conduction bakeng sa lino tse fapaneng tsa ionic.Ho feta moo, molao-motheo o bontšitsoeng ke o tloaelehileng mabapi le ho tsamaisa ion 'me ka hona o ka sebelisoa bakeng sa lisebelisoa tse fapaneng tsa ion tse loketseng, mohlala, bakeng sa libeteri tsa sodium, magnesium, calcium, kapa aluminium ion.Qetellong, electrolyte ea nanocomposite e nang le sebopeho sa sebopeho se bontšitsoeng mona ke mohopolo ho e-na le ntho e le 'ngoe, e ka tsoelang pele (nano) e entsoeng ho ea ho thepa e lakatsehang ea ion conduction, nomoro ea lipalangoang, fensetere ea electrochemical, polokeho le litšenyehelo bakeng sa meloko e tlang ea lisele tsa betri. .

Nano-SCE e ile ea lokisoa ho sebelisoa mokhoa oa sol-gel.Lithium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide Li-TFSI;Sigma-Aldrich;99.95%), 0.5 ml ea deionized H2O, 0.5 ml ea TEOS (Sigma-Aldrich; 99.0%), 1-butyl-1-methylpyrrolidinium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide (BMP-TFSI; Sigma-Aldrich; 9815%). ml ea PGME li ne li tsoakoa ka har'a vial ea khalase.Karolelano ea molar, x, pakeng tsa [BMP][TFSI] le TEOS ka har'a motsoako e ne e fapane pakeng tsa 0.25 le 2. Tekanyo ea molar ea Li [TFSI] le [BMP][TFSI] e ne e tsitsitse ho 0.33: 1.Likhakanyo tsa Li[TFSI] le [BMP][TFSI] li khethiloe ho tsoa ho likarolelano tsena.Mohlala, ha x = 1, e kenyellelitsoeng [BMP][TFSI] le Li[TFSI] tharollong e ne e le 0.97 le 0.22 g, ka ho latellana.Metsoako e ile ea sisinyeha bakeng sa 1 min ho etsa tharollo ea monophasic.Litharollo tsena li ne li bolokoa ka lijaneng tse koetsoeng ntle le ho sisinyeha ho etsa li-gel ka kamoreng e laoloang ke mocheso le mongobo (SH-641, ESPEC Corp.) ka mocheso le RH% e behiloeng ho 25 ° C le 50%, ka ho latellana.Ho itšetlehile ka x, metsoako e ile ea nka, ka karolelano, matsatsi a 5 ho isa ho a 9 ho etsa gel e hlakileng.Ka mor'a ho qhibiliha, linkho tse nang le 2.4- ho 7.4-ml gel li ne li omisitsoe pele ka 40 ° C ka matsatsi a mane a feletseng ka khatello e fokotsehileng hanyenyane (80 kPa) ebe e kenngoa ka ontong ea vacuum bakeng sa lihora tse 72 ho 25 ° C.Ha mongobo o setseng o tlosoa, sekoti se ile sa fokotseha butle-butle ho tloha khatellong ea pele ho pota 50 Pa ho ea khatello ea ho qetela ea 5 Pa ka mor'a hoo e ka bang letsatsi le le leng.Ka lebaka la palo e kholo ea metsi le PGME e neng e tlameha ho tlosoa, li-pellets tsa SCE tse hlahisitsoeng li ne li fokotsehile ho tloha ho 20% (x = 0.5) ho ~ ~ 50% (x = 2) ea molumo oa pele oa gel.Boima ba li-gel tse hlahisitsoeng bo ile ba lekanngoa ka tekanyo ea semimicro (SM 1245Di-C, VWR).

TGA e entsoe ka Q5000 IR (TA Instruments, New Castle, DE, USA) tlas'a naetrojene.Nakong ea tekanyo, mehlala e futhumetse ho 700 ° C ka mocheso oa mocheso oa 2 ° C / min.FTIR spectrometry e entsoe ho sebelisoa Bruker Vertex 70 ka palo ea maqhubu ho tloha ho 4000 ho isa ho 400 cm−1 ka mokhoa oa phetisetso.O ile a etsa pycnometry ho sebelisoa Micromeritics AccuPyc II 1340.

Ho lekanya conductivity ea ionic, molumo o monyenyane oa SCE o nkiloe ho tswa ho 'mè oa vial ka har'a lebokose la li-glove le tletseng Ar (0.1-ppm H2O le 0.1-ppm O2).Hoo e ka bang 23 μl ea SCE e ne e tlatsitsoe ka lesale la polytetrafluoroethylene (PTFE) le bophara ba ka hare ba 4.34-mm le bolelele ba 1.57-mm, ho etsa pellet.Pellet e ka har'a selikalikoe e ne e kenngoa pakeng tsa li-disk tse peli tsa tšepe e sa hloekang (SS) (botenya ba 0.2 mm; MTI).Litekanyo tsa tšitiso li entsoe ho sebelisoa PGSTAT302 (Metrohm), e nang le amplitude ea AC ea 5 mV sebakeng sa maqhubu ho tloha ho 1 MHz ho isa ho 1 Hz.The ion conductivity (σi) e ne e khethiloe ho tloha ho sekhahla se phahameng sa maqhubu le axis ea 'nete mererong ea Nyquist.Ka mor'a tekanyo ea conductivity, pellet ea nano-SCE e ile ea lumelloa ho tsoela pele ho omella ka lebokoseng la li-glove.Bakeng sa tekanyo ea ho itšetleha ka mocheso, mekotla ea SS/SCE/SS e ne e tiisitsoe ka seleng ea tšepe.Ka mor'a ho tiisa, conductivity e ile ea lula e le teng ka matsatsi a 'maloa (bona feiga. S3).Mocheso oa sele ea tšepe o laoloa ka baki ea mocheso e nang le bate e futhumetseng e sebelisang H2O / ethylene glycol e le mokhoa oa ho sebetsa.Lisele li ile tsa qala ka ho pholile hoo e ka bang −15°C eaba li futhumatsoa butle-butle ho fihlela ho 60°C.

Ho tloha pellet e 'ngoe le e' ngoe ea nano-SCE, hoo e ka bang 23 μl e ile ea kenngoa ka selikalikoe (4.34-mm bophara ba ka hare le bophahamo ba 1.57-mm) bakeng sa litekanyo tsa motlakase ka ho toba ka har'a lebokose la liatlana le tletseng N2 le nang le mongobo o laoloang.Ka nako eo selikalikoe se nang le SCE se ne se kentsoe pakeng tsa li-disk tse peli tsa SS (0.2 mm thick; MTI).Litekanyo tsa tšitiso li entsoe ho sebelisoa PGSTAT302 (Metrohm) e nang le amplitude ea AC ea 5 mV le khafetsa ho tloha ho 1 MHz ho isa ho 1 Hz e laoloang ke software ea Nova.Mehlala e ne e bolokoa ho boleng bo bong le bo bong ba RH% bakeng sa lihora tse 48 pele conductivity e hlahlojoa ho fihlela ho tsitsisoa.Khokahano e tsitsitseng ea ionic bakeng sa boleng bo fanoeng ba RH% (σi) e ile ea khethoa ho tsoa ho sekhahla se phahameng sa maqhubu le axis ea 'nete ho lipolanete tsa Nyquist.

Morpholoji ea pellet e nang le Li[BMP][TFSI] ILE le ntle le eona e ile ea hlahlojoa ka SEM ho sebelisoa sesebelisoa sa Thermo Fisher Scientific Apreo ho 1.5 ho isa ho 2.0 kV moo e sebetsang ka mokhoa oa litšoantšo oa li-detector tse peli tse sebelisang mochine oa T1 le T2 ka ho bapisa liphetoho tsa setšoantšo se phelang, 'me mochine oa T2 o ne o sebelisetsoa ho rekota litšoantšo tsa SEM tse bontšitsoeng;sampole e ne e behiloe teiping ea carbon conductive.TEM e entsoe ho sebelisoa Tecnai e sebetsang ho 300 kV.

ILE e ile ea tlosoa pellet ea SCE ka litsela tse peli tse fapaneng.Khetho e le 'ngoe ea ho fumana silika e porous e entsoe ka ho qoelisa SCE ka har'a acetone ka lihora tse 12 ho ntša Li[BMP][TFSI] ILE.Rinse ena e ile ea phetoa ka makhetlo a mararo.Khetho e 'ngoe e ne e le ka ho kenya SCE ka ethanol.Tabeng ena, ethanol e ile ea tlosoa ka ho sebelisa mokelikeli oa CO2 oa bohlokoa.

Lisebelisoa tse peli tse fapaneng li ile tsa sebelisoa bakeng sa ho omisa ka mokhoa o makatsang, e leng, Automegasamdri-916B, Tousimis (mokhoa oa 1) le sesebelisoa se entsoeng ka tloaelo ke JASCO Corporation (mokhoa oa 2).Ha u sebelisa sesebelisoa sa pele, tatellano ea ho omisa e qalile ka ho fokotseha ha mocheso ho fihlela ho 8 ° C.Kamora moo, CO2 e ile ea hloekisoa ka phaposing, ea eketsa khatello ho 5.5 MPa.Mohato o latelang, CO2 e ne e futhumetse ho 41 ° C, e eketsa khatello ho 10 MPa, 'me e bolokiloe joalo ka 5 min.Ho phethela, mohatong oa ho tsoa mali, khatello e theohile ka nako ea 10 min.Ha u sebelisa sesebelisoa se entsoeng ka tloaelo, ho ile ha lateloa tatellano e tšoanang.Leha ho le joalo, nako le likhatello li ne li fapane haholo.Ka mor'a mohato oa ho hloekisa, khatello e ile ea eketseha ho 12 MPa ka mocheso oa 70 ° C 'me ea lula e le joalo ka lihora tse 5 ho isa ho tse 6.Ka mor'a moo, khatello e ile ea fokotseha ka linako tse ling ho tloha 12 ho ea ho 7 MPa, 7 ho 3 MPa, le 3 ho 0 MPa ka nako ea 10, 60, le 10 min, ka ho latellana.

Li-isotherm tsa naetrojene tsa physisorption li ile tsa lekanngoa ho T = 77 K ho sebelisoa Micromeritics 3Flex surface characterization analyzer.Silika e entsoeng ka porous e ile ea ntšoa ka lihora tse 8 ho 100 ° C tlas'a vacuum ea 0.1-mbar.Silika e nang le masoba e nkiloeng ho omisoang ka mokhoa o feteletseng e ile ea ntšoa ka lihora tse 18 ka 120 ° C tlas'a vacuum ea 0.1-mbar.Ka mor'a moo, li-isotherm tsa nitrogen physisorption li ile tsa lekanyetsoa ho T = 77 K ho sebelisoa Micromeritics TriStar 3000 e ikemetseng ea adsorption analyzer.

Litekanyo tsa PFG-NMR li entsoe ho sebelisoa JEOL JNM-ECX400.Tatelano e tsosolositsoeng ea echo pulse e ile ea sebelisoa bakeng sa litekanyo tsa phallo.Phokotso e tloaelehileng ea lets'oao la echo, E, e hlalositsoe ho equation (38)E=exp(−γ2g2δ2D(Δ−δ/3)) (1) moo g e leng matla a sekhahla sa sekhahla, δ ke nako ea ho lla. pulse, ∆ ke nako e pakeng tsa likarolo tse etellang pele tsa pulse gradient, γ ke tekanyo ea magnetogyric, 'me D ke coefficient e ikemetseng ea limolek'hule.Li-coefficients tsa ho itšehla thajana li ne li hakanngoa ka ho lumellana le matšoao a echo a ileng a fumanoa ka ho fetola ∆ le Eq.1. 7Li e khethiloe ho fumana hore na coefficient ea diffusion ea lithium ion ke efe.Litekanyo tsohle li entsoe ka 30 ° C.

Setupo sa Raman spectroscopy e ne e le sistimi e iketselitsoeng hae e sebelisang argon ion e khonang ho tobisoa ho lebone la 458-nm laser excitation le neng le kopanngoa le microscope e sothehileng ea Olympus IX71, 'me leseli le hasaneng ka morao le ile la fetisoa ka setaele sa TriVista triple spectrometer (Princeton Instruments). ), e neng e sebelisetsoa ho hasanya mats'oao a mahlo a bonoang ho sebelisoa k'hamera ea sesebelisoa e nang le naetrojene e pholileng.Ha ho nahanoa ka matla a holimo a mahlo a mahlaseli a maqhubu ana, matla a laser a batlang a le tlaase a ile a sebelisoa ho qoba mocheso oa laser (<100 W · cm−2).

Ts'ebetso ea DFT ea boemo bo tlase ba geometry le lipalo tsa analytical frequency li sebelisitse "hybrid" e tsebahalang ea B3LYP le 6-311++G**, e nang le tokiso ea phepelo ea athomo ea Grimme (39) le Becke-Johnson damping scheme (D3BJ), joalo ka kenngwa tshebetsong ho ORCA 3.0.3 (40).Raman spectra e ile ea etsisoa ho sebelisoa ORCA, 'me pono ea thepa ea limolek'hule e ile ea finyelloa ho sebelisoa sephutheloana sa software sa Avogadro (41) se nang le ntjhafatso e tšehelitsoeng ke ORCA.

Litekanyo tsohle tsa electrochemical le litokiso tse amanang le tsona li entsoe ka lebokoseng la liatlana le tletseng argon (PureLab, PL-HE-4GB-1800; <1-ppm O2 le H2O maemo) a inehetseng bakeng sa litlhaku tsa electrochemical.Pellet ea SCE e ne e behiloe holim'a lente la Li (Sigma-Aldrich; 99.9%) e tšehelitsoeng holim'a poleiti ea koporo e le electrode ea counter le li-disks tse peli tse phunyeletsoeng Li disks (bophara ba 5-mm) li behiloe holim'a pellet ea SCE bakeng sa ho buuoa le ho sebetsa. li-electrode.Setupo se bontšoa ho feiga.S7.Lithakhisa tsa khauta li ne li sebelisetsoa ho ikopanya le referense ea lithium le li-electrode tse sebetsang.Litekanyo tsa cyclic voltammetry le impedance li entsoe ho sebelisoa PGSTAT302 (Metrohm) e laoloang ke software ea Nova.Voltammetry ea cyclic e entsoe ka sekhahla sa 20 mV/s.Litekanyo tsa impedance li entsoe ka amplitude ea AC ea 5 mV le khafetsa ho tloha ho 1 MHz ho isa ho 0.1 Hz.

Electrode ea filimi e tšesaane ea 40-nm ea anatase ea TiO2 e kentsoe ke atomic layer deposition (ALD) holim'a sephaephe sa silicon sa 300-mm se nang le 40-nm TiN underlayer hape e kentsoeng ke ALD.Ke electrode e babatsehang ea teko bakeng sa pontšo ea conductivity ea Li-ion ka li-electrolyte, kaha TiO2 ha e hlokofatsoe ke ho senyeha ha lik'hemik'hale kapa khatello ea mochine (ha ho na phetoho e kholo ea molumo) nakong ea baesekele.Ho lekanya sele ea Li / SCE / TiO2, ILE-SCEs e ne e tlatsitsoe ka lesale la PTFE le bophara ba 4.3 mm le bophara ba 0.15 cm;joale, selikalikoe se ne se kopantsoe pakeng tsa Li foil le filimi ea TiO2.

Nano-SCE / thin-film electrode half stacks, e nang le electrode ea LMO, e entsoe ka ho kopanya filimi ea nano-SCE holim'a li-electrode.Kakaretso ea 150 μl ea x = 1.5 tharollo, e tsofetseng bakeng sa matsatsi a 2, e ile ea theoleloa ka lesale la khalase (bophara, 1.3 mm) e behiloeng lifiliming tsa electrolyte.Ka nako eo selikalikoe se ne se tiisitsoe ka parafilm, 'me tharollo e ne e bolokoa ka sejaneng se tiisitsoeng joalo hore se hloekisoe ka matsatsi a 4.Thepa e entsoeng ka gel / electrode stack e le joalo e ne e omisitsoe ho theha nano-SCE / electrode stacks.Botenya ba nano-SCE, bo ikemiselitseng ho sebelisa micrometer, e ne e le 300 μm.Qetellong, sefate sa lithium (1.75 mm thick, 99.9%; Sigma-Aldrich) se ile sa hatelloa ho nano-SCE / electrode stack e le anode.Electrode ea filimi e tšesaane ea 100-nm LiMn2O4 (LMO) e ile ea kenngoa ke radio frequency sputtering tlas'a Ar flow holim'a sephaephe sa silicon se koahetsoeng ka 80-nm Pt (DC sputtering) / 10-nm TiN (ALD) ka tlas'a li-sublayers.Sekhahla sena se ile sa kenngoa ka metsotso e 20 ka 800 ° C moeeng oa oksijene.

Lifilimi tsa li-electrode tsa LiFePO4 (LFP) li ne li lokiselitsoe ka ho roala ka lehare.Ntlha ea pele, carbon black le LFP (2 ho 3 μm) li ile tsa kenngoa ka tharollo ea metsi e nang le carboxymethylcellulose (CMC) ho etsa motsoako o ileng oa etsoa ka mor'a moo ho sebelisoa motsoako oa polanete.Joale, sehlahisoa sa homogenized se ne se kopantsoe le metsi a deionized le fluorinated acrylic latex (JSR, TRD202A) ka har'a motsoako oa vacuum ho etsa slurry bakeng sa ho roala electrode.The slurry e lokisitsoeng e ne e lahleloa holim'a li-foil tsa aluminium ho kenya lifilimi tsa li-electrode ho sebelisa blade coater.Li-electrode tsena tse metsi tse koahetsoeng li ile tsa omisoa hang-hang ka ontong ea sepakapaka e nang le moea o tsitsitseng ho 70 ° C bakeng sa metsotso e 10 'me ea omisoa hape ka 140 ° C bakeng sa lihora tse 4 ka ontong ea vacuum.Lifilimi tse omisitsoeng tsa electrode li ne li e-na le 91 wt % LiFePO4, 3 wt% carbon black, 2 wt % CMC, le 4 wt % TRD202A.Botenya ba filimi ke 30 μm (e ikemiselitse ho sebelisa micrometer le microscope ea elektronike ea scanning).

Li-electrode tsa Li4Ti5O12 (LTO) li entsoe ka lifolakha tsa koporo ka mokhoa o ts'oanang.Sebopeho sa li-electrode tse omisitsoeng ke 85 wt % Li4Ti5O12, 5 wt% carbon black, 5 wt % CMC, le 5 wt % fluorinated acrylic latex (TRD2001A).Botenya ba filimi ke 40 μm.

Tharollo ea SCE e ile ea theoleloa filiming ea LFP le LTO electrode.Ntlha ea pele, 100 μl ea x = 1.5 tharollo, e nang le matsatsi a 2, e ile ea theoleloa filimi ea electrode, e bophara ba 15 mm, e kenngoa ka seleng ea tšepe (#2032, MTI).Ka mor'a hore SCE e kenngoeng e sebelisoe, filimi e omisitsoe ka 25 ° C bakeng sa lihora tse 72 ka ontong ea vacuum (<5 × 10-2 mbar) ho etsa nano-SCE le electrode stack.Botenya ba nano-SCE e ne e le 380 μm.Qetellong, foil ea lithium e ile ea hatelloa ho SCE / electrode stacks e le anode, 'me sele ea tšepe e tiisitsoe.Litekanyo tsa electrochemical li entsoe ho sebelisoa Solartron 1470E potentiostat mocheso oa kamore.

Boitsebiso bo tlatselletsang bakeng sa sengoloa sena bo fumaneha ho http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/2/eaav3400/DC1

Lethathamo la S1.Thepa ea sebopeho sa silica matrix ho nano-SCE bakeng sa ho eketsa karoloana ea molar ea mokelikeli oa ionic ho silika (x boleng) e khethiloeng ho tloha ho N2 adsorption/desorption kapa BET litekanyo le litekanyetso tsa TEM.

Ena ke sengoloa se fumanehang habonolo se abuoang tlas'a lipehelo tsa laesense ea Creative Commons Attribution-NonCommercial, e lumellang ts'ebeliso, kabo, le ho ikatisa ka mokhoa ofe kapa ofe, ha feela sephetho e se molemong oa khoebo mme ha feela mosebetsi oa mantlha o nepahetse. qotsitsoe.

ELA HLOKO: Re kopa feela aterese ea hau ea lengolo-tsoibila hore motho eo u mo buellang leqephe a tsebe hore u ne u batla hore a le bone, le hore ha se mangolo-tsoibila a se nang thuso.Ha re nke aterese efe kapa efe ea lengolo-tsoibila.

Potso ena ke ea ho lekola hore na u moeti oa motho kapa che le ho thibela tlhahiso ea spam e itirisang.

E ngotsoe ke Xubin Chen, Brecht Put, Akihiko Sagara, Knut Gandrud, Mitsuhiro Murata, Julian A. Steele, Hiroki Yabe, Thomas Hantschel, Maarten Roeffaers, Morio Tomiyama, Hidekazu Arase, Yukihiro Kaneko, Mikinari Shimada, Maarten Mees, Philippe Medee.

Nako ea poso: Jul-15-2020