Transisi ka batré Li-ion solid-state bakal ngaktifkeun kamajuan ka arah kapadetan énergi 1000 W·jam/liter jeung saterusna.Komposit tina matriks oksida mesoporous ngeusi pangisi éléktrolit cair ionik nonvolatile parantos digali salaku pilihan éléktrolit padet.Sanajan kitu, kurungan basajan tina solusi éléktrolit jero pori-ukuran nanometer ngabalukarkeun konduktivitas ion handap sakumaha viskositas naek.Di dieu, kami nunjukkeun yén konduktivitas Li-ion nanokomposit anu diwangun ku monolit silika mesoporous sareng pangisi éléktrolit cair ionik tiasa sababaraha kali langkung luhur tibatan éléktrolit cair ionik murni ngaliwatan bubuka lapisan és antarmuka.Adsorpsi anu kuat sareng susunan molekul cair ionik ngajantenkeun aranjeunna teu gerak sareng siga padet sapertos pikeun lapisan és antarmukana.The dipole leuwih lapisan mesophase adsorbate hasilna solvation ion Li+ pikeun konduksi ditingkatkeun.Prinsip anu nunjukkeun paningkatan konduksi ion tiasa diterapkeun kana sistem ion anu béda.

Éléktrolit solid-state diharepkeun nyadiakeun dorongan salajengna pikeun batré Li-ion pikeun ngaleuwihan siling praktis 800 W·jam/liter atawa 300 W·jam/kg ditumpukeun dina katoda jeung anoda chemistries ayeuna sadia.Harepan kanaékan dénsitas énergi pikeun batré solid-state asalna tina sababaraha kontribusi, sadayana nargétkeun ningkatkeun volume persén bahan aktif dina sél.Anu paling umum nyaéta ngenalkeun logam litium pikeun ngagentos grafit sareng grafit / silikon salaku anoda.Logam litium murni ngagaduhan kapadetan énergi anu paling luhur sahingga peryogi rohangan pangsaeutikna.Sanajan kitu, loba isu masih kudu direngsekeun, kayaning réaksi teu bisa balik (sahingga konsumsi) logam litium, formasi dendrite, kanaékan dénsitas arus éféktif pikeun foil litium planar dibandingkeun jeung éléktroda grafit porous (silikon), jeung, panungtungan. tapi teu saeutik, "leungitna" litium salila ngurangan (deplating) sahingga leungitna kontak jeung éléktrolit padet.Sifat mékanis kaku éléktrolit padet keramik memang henteu patuh, sareng tekanan ekstrim kedah diterapkeun pikeun mencét litium pageuh kana komponén éléktrolit padet.Titik tekanan diskrit nurunkeun aréa permukaan éféktif malah leuwih, ngarah kana formasi dendrite lokal sarta deposit spons.Éléktrolit polimér langkung patuh sacara mékanis tapi henteu acan nunjukkeun konduktivitas ionik anu cukup luhur dina suhu kamar.Bahan anyar anu pikaresepeun pisan dina hal ieu nyaéta éléktrolit gél silika, anu ogé disebut "ionogél," dimana éléktrolit cair ionik (ILE) dipasrahkeun dina matriks silika nanoporous (1).Porositas anu kacida luhurna tina matriks silika (70 nepi ka 90%) méré bahan éléktrolit nanokomposit ieu konsistensi kawas gél sahingga ngajadikeun mékanis patuh sarupa jeung éléktrolit polimér.Gél silika ieu kadang dituduhkeun salaku éléktrolit padet hibrida, sabab ngandung cairan.Nanging, pikeun nanokomposit silika, sakumaha anu dijelaskeun dina tulisan ieu, éléktrolit "cair" ionik janten padet nalika dikurung dina puluhan saluran ukuran nanométer boh ku paningkatan viskositas sareng ku adsorpsi dina témbok silika anu ngawatesan éta. saluran.Lamun matriks silika bakal meta ngan salaku separator porous, mangka paningkatan dina viskositas pikeun éléktrolit cair dipasrahkeun bakal ngakibatkeun panurunan dina konduktivitas ionik.Gantina, interaksi antara molekul ILE jeung témbok pori silika ngajadikeun sipat nanocomposite béda ti jumlah komponén individu na.Adsorpsi cairan ionik dina oksida kalayan formasi lapisan mesophase padet nepi ka sababaraha nanométer ketebalan geus ditémbongkeun dina surfaces planar kalawan mikroskop gaya atom (2).Adsorpsi selektif anion cair ionik sareng kation dina permukaan oksida tiasa nyababkeun konduktivitas Li + ditingkatkeun sapanjang antarmuka ieu.Tangtosna, paningkatan sapanjang antarmuka oksida kedah ngimbangan atanapi bahkan ngaleuwihan konduktivitas anu turun ngaliwatan ILE anu dipasrahkeun dina inti pori.Lantaran kitu, ukuran pori anu langkung alit sareng rasio permukaan-to-volume anu luhur dipikahoyong.Sajauh ieu, ionogél kalawan konduktivitas ion ngadeukeutan ka ILE sorangan geus ditémbongkeun ku optimasi struktur mesoporous (3).Ieu ngandung harti yén paningkatan antarmuka parantos aya tapi henteu dugi ka konduktivitas bulk.

Nyiapkeun ionogél dimimitian ti campuran cair homogen, nu hiji ILE ditambahkeun kana solusi prékursor sol-gél pikeun sintésis matriks oksida (4, 5).Dina metoda ieu, ILE jeung matriks ngabentuk komposit dina "in situ" ragam: The prékursor dina leyuran meta pikeun ngabentuk hiji matrix oksida sabudeureun citakan cair ionik, encapsulating eta dina prosés.Dina kaayaan sintésis anu tangtu, ILE-SCE (éléktrolit komposit padat) anu disusun tiasa dina bentuk monolit sareng ILE napel dina jaringan oksida anorganik mesoporous kontinyu.Sajauh ieu, lolobana ILE-SCEs basis silika geus disiapkeun ku cara kieu, sanajan conto ogé geus dijieun kalawan alumina (6), titania (7), komo timah oksida (8).Paling dilaporkeun formulasi sol-gél ngandung hiji ILE, hiji alkil-silikat kayaning tetraethyl orthosilicate (TEOS) salaku prékursor silika, sarta asam format salaku réagen jeung pangleyur (9, 10).Nurutkeun mékanisme nu diajukeun (11) pikeun prosés sol-gél ieu, silika utamana dihasilkeun ku réaksi antara TEOS jeung asam format, sanajan cai dihasilkeun salila prosés sol-gél.Di sagigireun campuran "nonaqueous" dumasar-asam format ieu, formulasi sol-gél cai kalawan HCl salaku katalis jeung H2O salaku réagen (tambah pangleyur organik) ogé geus dijelaskeun, kumaha oge, dina hal husus ieu pikeun sintésis komposit silika jeung ngan cair ionik (12-15).

Biasana, ionogél nunjukkeun konduktivitas ion langkung handap tina rujukan ILE.Generasi kahiji ionogél miboga konduktivitas suhu kamar ilaharna ngan ngeunaan 30 nepi ka 50% tina nilai bulk ILE, sanajan sababaraha conto ngahontal nepi ka 80% geus dilaporkeun (9, 10, 16, 17).Pangaruh eusi ILE jeung morfologi pori hasilna dina konduktivitas ionogel geus ditalungtik dina jéntré (3);kumaha oge, euweuh ulikan sistimatis ngeunaan épék enhancement panganteur dipikawanoh.Wu et al.(18) nembe dilaporkeun dina in situ functionalized ionogel, nu ogé masihan enhancement konduktivitas dibandingkeun ILE bulk.Peningkatan ieu dikaitkeun kana interaksi antara anion sareng gugus fungsi 3-glycidyloxypropyl dina permukaan silika.Pananjung ieu ngadukung ideu yén fungsionalisasi permukaan memang tiasa ningkatkeun promosi konduksi antarmuka.

Dina karya ieu, urang demonstrate formasi in situ tina lapisan cai és padet dina silika jeung jéntré mékanisme konduksi Li-ion interfacial ku ngaronjat interaksi dipole antara lapisan fungsional és permukaan jeung lapisan mesophase cair ionik adsorbed.Ku kombinasi aréa permukaan internal luhur sarta lapisan fungsional és padet, éléktrolit nanocomposite padet (nano-SCE) kalawan 200% konduktivitas Li-ion leuwih luhur batan rujukan ILE bulk kahontal.Matriks silika ditingalikeun gaduh struktur mesoporous monolitik anu leres kalayan volume pori sareng luas permukaan dugi ka 90% sareng 1400 m2 / g, sahingga nyayogikeun rasio permukaan-to-volume anu ekstrim ngamungkinkeun kontribusi anu ageung pikeun ningkatkeun konduksi sapanjang antarmuka ieu.Ku fungsionalisasi permukaan silika anu dioptimalkeun digabungkeun sareng maksimalkeun rasio permukaan-to-volume, nano-SCE kalayan konduktivitas ion anu langkung ageung langkung ti 10 mS/cm berpotensi direkayasa sahingga pikaresepeun pisan pikeun batré kapasitas ageung pikeun aplikasi otomotif.

Fokus makalah kami nyaéta kana mékanisme konduktivitas antarmuka anu ditingkatkeun ngaliwatan formasi lapisan mesophase kalayan bukti tina Raman, Fourier transform infra red (FTIR), sareng spéktroskopi résonansi magnetik nuklir (NMR).Stabilitas antarbeungeut bahan nano-SCE kami dina voltase luhur ditunjukkeun nganggo éléktroda litium mangan oksida (LMO) pilem ipis.Ku cara kieu, fokus mertahankeun bahan tinimbang dina integrasi éléktroda jeung masalah assembly sél.Nya kitu, jandela éléktrokimia jeung stabilitas ngalawan foil logam litium pinuh dicirikeun.Fungsionalitas sareng integrasi nano-SCE kami ditunjukkeun ku tés préparasi sareng tingkat kinerja litium fosfat beusi (LFP) sareng sél litium titanate (LTO).Stabilitas éléktrolit urang sareng henteu aktipitas éléktrokimia tina cai és ditingalikeun ngaliwatan siklus jangka panjang sél Li-SCE-Li simetris.Optimasi dénsitas énergi, kinerja laju, sarta kinerja Ngabuburit sél pinuh dirakit bakal jadi fokus makalah nurutan-up (19, 20).

Promosi konduktivitas ion antarmuka dina sistem komposit dua fase parantos dipikanyaho ampir 90 taun (21).Contona, nepi ka opat ordo kanaékan konduktivitas ionik geus ditémbongkeun pikeun komposit uyah litium basajan saperti litium iodida jeung partikel oksida mesoporous kayaning silika atawa alumina dibandingkeun jeung konduktivitas ion tina éléktrolit uyah litium murni (22).Ion-ion dina SCEs ieu tiasa nyebarkeun langkung gancang sapanjang lapisan ganda listrik (atanapi seueur lowongan) Li ion-depleted (atanapi seueur lowongan) anu dibentuk dina antarmuka oksida/éléktrolit.Hanjakalna, konduktivitas ion anu dicandak dina komposit padet-padet anorganik dua-komponén basajan ieu (1) henteu ngaleuwihan ambang 1-mS/cm2 anu diperyogikeun pikeun ngahubungkeun sababaraha ratus-mikrométer jarak antara pelat kolektor ayeuna dina batré Li-ion. .Konsep doping hétérogén sareng matriks oksida pikeun ngarékayasa konduktivitas ionik ogé parantos digali pikeun éléktrolit polimér (23) sareng ILE (24), anu gaduh konduktivitas ionik intrinsik anu langkung luhur pikeun ngamimitian.Sajaba ti éta, kimia molekular (stereo) beunghar komponén katilu muka nepi mékanisme konduksi ion tambahan, salaku (di)polar molekul pangleyur-kawas bisa ilubiung dina formasi lapisan ganda listrik.Sedengkeun aksi solvating gugus éter dina éléktrolit poliétilén oksida polimér nyadiakeun konduktivitas ion solid-state ~10-6 S/cm pikeun LiClO4 nepi ka ~10-5 S/cm pikeun LiN(SO2CF3)2, composites maranéhanana jeung silika, alumina. , atawa nanopartikel titania memang bisa nyadiakeun leuwih ti 10-melu ningkatna dina konduktivitas ion diukur (25), hanjakalna, masih ogé handap bangbarung suhu kamar 1 mS / cm.Solusi ILE nyaéta campuran tina solute uyah Li sareng pangleyur cair ionik, anu tiasa gaduh konduktivitas ionik intrinsik anu luhur antara 0,1 sareng 10 mS/cm (26, 27).Sababaraha usaha parantos dilakukeun pikeun ningkatkeun konduktivitas ion ku cara nyampur atanapi ngagenél sareng nanopartikel oksida atanapi ngurung ILE dina mikropartikel mesoporous (9, 16, 28, 29).Tapi, sajauh ieu, teu aya paningkatan konduktivitas ion pikeun komposit Li-uyah/ionik/oksida tilu-komponén (gbr. S1).Sanajan pamakéan mikropartikel silika mesoporous teu ngahasilkeun konduktivitas nu leuwih luhur dibandingkeun komposit jeung nanopartikel padet, aréa permukaan interfaces jeung promosi konduksi ion teu cukup pikeun ngaleuwihan konduktivitas ILE bulk.

Silika Mesoporous mangrupakeun bahan well-dipikawanoh dipaké dina katalisis.Biasana dijieun ku sintésis sol-gél hidrotermal atawa basajan.Prosés hidrotermal ilaharna ngakibatkeun bubuk mesoporous, tapi kalayan kontrol ati-ati prosés sol-gél suhu kamar, monoliths kaca porous badag atawa aerogels ogé geus dihasilkeun.Matriks silika kabentuk ngaliwatan réaksi hidrolisis jeung kondensasi tetra-alkil orthosilicates (30).Konci dina kadali struktur pori nyaéta pamakéan citakan, contona, surfactant-tipe micelle, sabudeureun nu matrix silika kabentuk.Nalika cairan ionik ditambahkeun salaku molekul template, matriks silika terhidrasi berinteraksi sareng cairan ionik, ngabentuk gél, sarta sanggeus curing jeung drying, cairan ionik dipasrahkeun dina matriks silika nanoporous padet (13).Lamun uyah litium ditambahkeun salaku komponén katilu, ILE dipasrahkeun dina matriks silika ngabentuk éléktrolit gél silika, nu ogé geus disebut salaku ionogel (24).Tapi, dugi ka ayeuna, éléktrolit gél silika ieu nunjukkeun konduktivitas anu ngadeukeutan ILE massal tapi henteu langkung ti éta, kecuali hiji kasus dimana silika parantos difungsikeun sacara kimiawi (tingali Pendahuluan) (18).

Di dieu, kami nunjukkeun, promosi sistematis konduktivitas Li-ion tina nanocomposite langkung seueur tina ILE murni.Conto 1-butil-1-methylpyrrolidinium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (BMP-TFSI) dipaké di dieu.Hal ieu postulated yén adsorption tina molekul cair ionik dina beungeut silika OH-terminated diwanohkeun ku ayana hiji lapisan cai és interfacial.Beungkeutan hidrogén kuat antara cai és jeung anion TFSI− induces susunan molekular cairan ionik, sarupa jeung domain maréntahkeun nu spontaneously ngabentuk dina cairan ionik (31).Beda konci jeung domain kabentuk acak dina bulk ILE nyaéta yén lapisan és meta salaku lapisan fungsional nu (i) induces susunan molekular dina beungeut oksida jeung (ii) ngawanohkeun cukup kuat beungkeutan H pikeun ngainduksi dipol ngaleupaskeun Li + bébas. pikeun konduksi ditingkatkeun.Gigireun kanaékan konsentrasi Li + bébas, urang bakal némbongkeun yén énergi aktivasina pikeun difusi leuwih handap sapanjang panganteur komposit jeung lapisan ILE adsorbed jeung lapisan cai és.

Lapisan cai permukaan saeutik-monolayers-kandel dina silika mangrupakeun lapisan padet-kawas, sabab kuat kabeungkeut gugus silanol ngaliwatan H-sasak sahingga disebut ogé lapisan és (32).Kapadetan sareng kandelna (diperkirakeun dugi ka tilu dugi ka opat monolayer, kalayan ~ 0,25 nm per monolayer és) aya dina kasatimbangan termodinamika sareng tekanan cai parsial [kalembaban relatif (RH)] di lingkungan (gbr. S2).Urang némbongkeun yén konduktivitas ion naek jeung ketebalan lapisan cai és salaku beungkeutan hidrogén jeung lapisan ionik adsorbed ogé naek.Lapisan cai és stabil sarupa jeung cai kristal dina sanyawa kimia.Ieu kontras pisan sareng éléktrolit cai super kentel atanapi anu disebut cai dina campuran uyah, dimana jandela éléktrokimia sacara drastis ngalegaan tapi, ahirna, cai masih aktip sacara éléktrokimia (33).

Béda tina resep ionogel anu dikatalisis asam format, kami nganggo campuran pH 5 anu hampang kalayan cai kaleuwihan anu ageung sareng PGME (1-methoxy-2-propanol) ditambahkeun kana prékursor TEOS sareng uyah Li-TFSI sareng cairan ionik BMP-TFSI.Dina pH ieu, réaksi hidrolisis lambat, sedengkeun kondensasi nguntungkeun (30).Ion Li diyakinkeun meta salaku katalis pikeun réaksi hidrolisis, sabab euweuh gélasi lumangsung dina henteuna uyah litium bari duanana mibanda pH sarua 5. Babandingan molar cairan ionik kana TEOS (sahingga gugus silika) nyaéta dituduhkeun salaku nilai x sarta ieu variatif antara 0,25 jeung 2. Babandingan molar of BMP-TFSI mun Li-TFSI ieu diteundeun dina 3 (cocog jeung 1 M solusi Li-ion).Drying slow ieu diperlukeun pikeun ngajaga integritas struktural struktur monolith (tingali Bahan jeung Métode).Gambar 1A nembongkeun hiji photograph of a pellet monolithic diala sanggeus drying vakum.The 72-jam drying vakum éta cukup pikeun miceun sakabéh Uap handap ka titik dimana sakabeh cai bébas dipiceun bari lapisan cai és adsorbed tetep pinuh gembleng, sakumaha dikonfirmasi ku FTIR.Henteu aya geter pikeun cai bébas anu dideteksi dina 1635 cm−1 dina salah sahiji conto saatos léngkah pengeringan vakum (Gbr. 2).Pikeun babandingan, spéktrum FTIR pikeun sampel nano-SCE (x = 1.5) disimpen salila 1 minggu dina kotak sarung N2 dina 60% RH ditémbongkeun.Dina hal ieu, puncak cai bébas jelas muncul.Sadaya sampel, di sisi anu sanés, nunjukkeun sinyal anu jelas pikeun fungsionalisasi permukaan silanol (Si─OH ngabengkokkeun antara 950 sareng 980 cm−1) sareng lapisan cai és anu diserep (O─H manjang dina ~ 3540 cm−1) kabeungkeut gugus permukaan ─OH ku beungkeutan H (leuwih rinci di handap).Vials ditimbang sateuacan sareng saatos léngkah pengeringan pikeun ngukur cai anu disimpen dina nano-SCE (tabel S1).Engké, urang bakal ngitung jumlah monolayers pakait tina lapisan és permukaan-kabeungkeut tina kaleuwihan beurat.Pellets vakum-garing dibawa kana kotak sarung [<0,1-ppm (bagian per juta) H2O] sarta disimpen dina vials ditutup pikeun ngajaga eusi cai aslina.A volume leutik dicokot tina pellet pikeun characterization salajengna.

(A) Gambar dua pellets nano-SCE (kénca) disintésis dina vial nu;saatos gelation, pellet transparan dicandak.Catet yén pellet éta pinuh transparan sahingga dibéré hue biru pikeun pisibilitas.Nalika ILE dipiceun, pélét bodas rapuh tetep pikeun matriks silika anu porous (katuhu).(B) Nyeken gambar mikroskop éléktron (SEM) tina matriks SiO2 anu tetep saatos ngaleupaskeun ILE.(C) Zum gambar ditémbongkeun dina (B) ngagambarkeun alam mesoporous tina bahan matrix kalawan sababaraha macropores.(D) Transmission electron microscopy (TEM) gambar némbongkeun bungkusan padet 7- nepi ka 10-nm silika nanopartikel salaku blok wangunan bahan matrix porous.(E) The porosity tina struktur matrix plotted pikeun babandingan molar béda ILE kalayan hormat ka SiO2 (nilai x).Garis putus-putus masihan porositas téoritis anu ditangtukeun tina fraksi volume ILE sareng silika.Sampel dibilas aseton (kuadrat hideung) digaringkeun dina hawa, anu nyababkeun runtuhna parsial tina struktur pikeun x > 0,5.Supercritical CO2 drying etanol-rinsed nano-SCE (bunderan héjo) nyegah runtuhna nepi ka x = 2 pikeun ngaleupaskeun tambahan slow CO2 (bunderan kabuka).BET, Brunauer-Emmett-Teller.kiridit poto: Fred Loosen, imec;Akihiko Sagara, Panasonic.

(A) spéktra IR nano-SCE sakumaha garing dina vakum (hideung) lajeng salajengna garing dina kotak sarung kalayan 0,0005% RH salila 9 poé (biru) jeung kakeunaan 30% RH salila 4 poé (beureum) jeung 60 % RH salila 8 poé (héjo), masing-masing.au, hijian wenang.(B) Voltammograms siklik tina tumpukan Li / SCE / TiN kalayan nilai x 1.0 (biru), 1.5 (héjo), sareng 2.0 (beureum) sareng rujukan ILE (hideung);inset nembongkeun arus dina skala logaritmik.(C) Voltammograms siklik Li / SCE (x = 2) / 40-nm TiO2 tumpukan (beureum), ILE (dotted hideung), sarta ILE spiked kalawan 5 beurat% (wt %) H2O (garis biru dash-dotted);dina (B) jeung (C), ukuran kalawan ILE na ILE kalawan H2O dipigawé dina konfigurasi tilu-éléktroda kalawan TiN salaku éléktroda gawé sarta Li salaku counter jeung éléktroda rujukan.SCE digaringkeun salami 2 dinten dina kotak sarung tangan saatos pengeringan vakum.

Konduktivitas ionik (σi) nano-SCE vakum-annealed kami ngaronjat kalawan fraksi volume ILE (nilai x) sakumaha keur komposit partikel (gbr. S1).Tapi, dina hal ieu, konduktivitas ionik ngaleuwihan ILE murni sorangan ku leuwih ti 200% pikeun nilai x pangluhurna (Gbr. 3).Salajengna, gumantungna suhu nano-SCE kalayan konduktivitas ion anu ditingkatkeun nunjukkeun paripolah anu béda ti ILE murni: Sedengkeun Li-TFSI dina BMP-TFSI ILE nunjukkeun parobahan anu jelas dina konduktivitas sareng énergi aktivasina (lamping) di sabudeureun lebur. titik campuran dina 29 ° C, nano-SCE kalayan konduktivitas ditingkatkeun henteu.Sabalikna, éta nunjukkeun variasi kontinyu dina σi kalayan suhu, nunjukkeun yén jinis fase atanapi mesophase anu teu dikenal sateuacana kabentuk, anu teras tanggung jawab kana konduktivitas anu ditingkatkeun.Leuwih ti éta, lamping leutik sahingga énergi aktivasina handap pikeun difusi pikeun nano-SCE dibandingkeun jeung ILE nunjukkeun sipat bahan béda (gbr. S3).Hal ieu postulated yén interaksi kuat antara molekul cair ionik jeung lapisan és padet dina scaffold silika tanggung jawab kana paripolah mesophase observasi, sakumaha bakal dibahas kalawan model diusulkeun handap.

(A) gumantungna suhu konduktivitas nano-SCEs garing salila 8 poé dina kotak sarung (GB) kalawan nilai x 2 (kuadrat hideung), 1,75 (bunderan oranyeu), 1,5 (triangular biru), sarta 1,0 (segitiga héjo). ) jeung rujukan ILE (kuadrat kabuka).(B) Konduktivitas nano-SCE ogé garing dina GB salami 0 dinten (kuadrat héjo), 10 dinten (segitiga hideung), sareng 138 dinten (segitiga biru).(C) Konduktivitas versus akar kuadrat waktu drying nano-SCE kalawan nilai x 2 (kuadrat hideung), 1,5 (triangular biru), 1,0 (triangular héjo), jeung 0,5 (inten coklat).(D) Konduktivitas nano-SCE kalawan x = 2 (kuadrat hideung), 1.5 (segitiga biru), sarta 1.0 (segitiga héjo) kakeunaan dina chamber kalembaban N2-kaeusi.

Atmosfir argon dina kotak sarung ngandung kurang ti 0,1 ppm cai, nu pakait jeung 0,0005% RH, tekanan cai parsial 0,01 Pa, atawa titik embun -88 ° C.Salaku jumlah lapisan cai adsorbed on silanol-terminated silika aya dina kasatimbangan jeung tekanan parsial cai (gbr. S2), cai permukaan lalaunan bakal diffuse kaluar tina nano-SCE tur sublimate di edges.Gambar 3C nembongkeun parobahan dina konduktivitas pikeun 23 μl nano-SCE salaku fungsi tina waktu tinggal dina kotak sarung.Konduktivitas ion nurun kalawan drying nepi ka jenuh dina nilai pakait jeung beungeut silika dina kasatimbangan jeung tekanan parsial cai 0,01 Pa dina kotak sarung.Malah dina kaayaan garing ekstrim tina kotak sarung, sahenteuna, hiji monolayer parsial cai adsorbed on silanol, sabab spéktroskopi Raman masih némbongkeun sinyal dina 3524 cm−1, nu husus pikeun monolayer munggaran cai adsorbed on silanol. (Gbr. 4B).Konduktivitas ion dina kaayaan jenuh éta sahandapeun tina ILE individu dina sadaya kasus.Lantaran kitu, paningkatan henteu cekap pikeun ngimbangan leungitna konduktivitas ionik tina ILE anu dipasrahkeun dina inti pori.

(A) spéktra IR nano-SCE kalayan nilai x 1.5 (beureum), rujukan ILE (hideung), sareng SiO2 (biru), nunjukkeun yén grup O═S═O (1231 cm−1) aub dina interaksi jeung gugus-OH dina beungeut silika.(B) spéktra Raman nano-SCE kalawan nilai x 2 (hideung), 1,5 (beureum), jeung 0,5 (biru), némbongkeun ayana cai és nu kabeungkeut dina silika-terminated silanol malah keur nano-SCE deukeut jenuh (0,0005). % RH) dina kotak sarung (30 poé).(C) Modél anu diusulkeun pikeun interaksi panganteur dina nano-SCE kalayan disosiasi Li-TFSI kana Li + bébas salaku TFSI-anion babagi bagian tina muatan négatip na jeung adsorbed lapisan és-TFSI-BMP;kelir ngagambarkeun elemen béda jeung wungu (silikon), beureum (lithium), konéng poék (walirang), oranyeu (oksigén), bulao (nitrogén), bodas (hidrogen), jeung héjo (fluorine).Garis putus-putus ungu ngagambarkeun beungkeut hidrogén antara gugus O═S anion TFSI jeung gugus OH permukaan silika terhidroksilasi.Ion Li+ dibébaskeun ku dipole dina lapisan adsorbed bisa migrasi ngaliwatan lapisan cairan ionik mobile atawa diffuse salajengna luhureun lapisan panganteur.Catet yén gumantung kana kakuatan beungkeut hidrogén jeung muatan sarimbag dina silika, sababaraha lapisan adsorbed bisa kabentuk ogé.spéktra pinuh ditémbongkeun dina Gbr.S8.

Hiji observasi metot nyaéta hubungan linier jeung akar kuadrat waktu drying sakumaha ditémbongkeun dina Gbr. 3C, nunjukkeun yén parobahan konduktivitas sabanding langsung jeung parobahan dina jumlah adsorbed cai és dina silika sarta ngaleupaskeun cai permukaan ieu. difusi kawates.Catet yén "drying" ngan lumangsung dina lingkungan kabuka dimana RH leuwih handap pikeun lapisan és kasatimbangan.Konduktivitas teu robah kasohor, contona, dina sél koin katutup dipaké pikeun pangukuran-gumantung suhu.

Katergantungan suhu nano-SCE diukur pikeun waktos garing anu béda dina kotak sarung tangan.Nalika konduktivitas nano-SCE garing ngadeukeutan ka ILE, propil σi versus 1/T kontinyu pikeun konduktivitas mesophase laun-laun robah jadi profil pikeun ILE, deui nembongkeun turunna sabudeureun titik lebur na (gbr. S3).Observasi ieu salajengna ngarojong anggapan yén lapisan és meta salaku lapisan fungsional pikeun interaksi panganteur jeung ILE, ngabalukarkeun kabiasaan mesophase dina nano-SCE.Lantaran kitu, nalika lapisan fungsional dileungitkeun, ILE ngan ukur dikurung dina mémbran oksida mesoporous.

Pangukuran dina jandela stabilitas éléktrokimia mastikeun yén cai és dina nano-SCE stabil, sabab henteu aya puncak pikeun réduksi atanapi oksidasi cai anu dititénan dina éléktroda TiN inert (Gbr. 2) atanapi dina éléktroda film ipis TiO2, anu sanés tindakan. salaku elektro-katalis pikeun ngurangan cai.Sabalikna, stabilitas éléktrokimia nano-SCE mirip pisan sareng ILE sahingga diwatesan ku oksidasi TFSI- dina poténsi éléktroda> 4.3 V sareng pangurangan TFSI- sareng BMP + dina poténsi <1 V versus Li +/Li. (33).Pikeun babandingan, hiji voltammogram ditémbongkeun keur ILE kalawan 5 beurat% (wt%) cai ditambahkeun (eusi sarupa jeung sababaraha nano-SCE; tingali tabel S1).Dina hal ieu, cabang katodik pikeun réduksi cai diukur langsung saatos puncak interkalasi Li-anatase dina 1,5 V versus Li+/Li.

Stabilitas termal sareng (elektro) kimia nano-SCE biasana ditangtukeun ku pangisi ILE.Analisis Thermogravimetric (TGA) nunjukkeun stabilitas termal SCE sareng ILE dugi ka 320 ° C, henteu paduli rasio ILE-to-silika (gbr. S4).Di luhur suhu ieu, Li-TFSI jeung BMP-TFSI terurai sagemblengna jadi komponén volatil, sarta ngan matriks silika tetep sabudeureun 450°C.Persentase massa sésana sanggeus dékomposisi termal memang cocog pisan jeung fraksi silika dina SCE.

Nano-SCE némbongkeun euweuh microstructure jelas dina scanning mikroskop éléktron (SEM) iwal beungeut lemes jeung sababaraha patch silika ngintip kaluar (gbr. S5).Kapadetan spésifik tina SCE ditangtukeun ku pycnometer hélium sareng sakitar 1,5 g / cm3 pikeun sadaya nilai x (tabel S1).Matriks silika pinuh diungkabkeun ku ékstraksi tedious tina ILE dina pangleyur (tingali Bahan sareng Métode).Ku drying taliti dina titik kritis CO2, monoliths airgel gembleng bisa diala kawas hiji ditémbongkeun dina Gbr. 1A.Inspeksi SEM nembongkeun scaffold tina silika mesoporous kalawan diaméter pori 10- nepi ka 30-nm, nu dibungkus sabudeureun macropores gedé tina 100 mun 150 nm, sakumaha bisa ditempo dina Gbr. 1 (B jeung C).Résolusi luhur mikroskop éléktron transmisi (TEM) (Gbr. 1D) salajengna kakeunaan hiji mikrostruktur diwangun ku nanopartikel silika raket dipak.Diaméter partikel rata-rata dibasajankeun 7 nepi ka 14 nm pikeun nilai x antara 0,5 jeung 1,5.

Wewengkon permukaan husus [Brunauer-Emmett-Teller (BET)], porosity, ukuran pori rata, sarta sebaran ukuran pori ditangtukeun ku N2 adsorption / ukuran desorption (tabel S1 jeung Gbr. S6).Runtuhna sabagean tina struktur sareng panyabutan ILE anu diserep teu lengkep tiasa nunjukkeun angka-angka anu salah.ékstraksi ati cairan ionik jeung drying slow ngagunakeun CO2 supercritical disadiakeun, kumaha oge, hasil dipercaya deukeut porosity ekspektasi diitung tina fraksi volume ILE mun silika (Gbr. 1).Wewengkon permukaan BET antara 800 sareng 1000 m2 / g.Ukuran pori rata-rata diala tina kemiringan isoterm antara 7 sareng 16 nm.Sajaba ti éta, fraksi leutik pori gedé nepi ka kira 200 nm diukur (gbr. S6), luyu jeung observasi SEM.Diaméter pori pakait kacida alusna jeung dua kali ketebalan sarimbag ti lapisan ILE dicandak ti fraksi volume ILE jeung aréa permukaan BET, hartina mesopores sagemblengna ngeusi ILE.

Wewengkon permukaan BET anu dilaporkeun ngan ukur pikeun mesopores sareng makropori.Pikeun matriks acetone-rinsed, micropores (~ 0.6 nm) ogé diukur.The micropores kapanggih antara nanopartikel silika individu nyieun struktur sakumaha ditémbongkeun dina gambar TEM of Gbr. 1D.A maksimum aréa permukaan tambahan antara 650 (x = 0,5) jeung 360 m2 / g (x = 1,5) diperkirakeun (tabel S1).

Boh spéktra FTIR sareng Raman nunjukkeun bukti anu jelas pikeun gugus silanol sareng molekul cai és anu diserep dina matriks silika porositas luhur kalayan aréa permukaan anu épéktip ekstrim ngaleuwihan 1400 m2/g nalika merhatikeun micropores, mesopores, sareng macropores.Antara enol jeung tilu monolayers cai diperkirakeun tina kaleuwihan cai dina nano-SCE pikeun x <1,75.Pikeun silika planar, tilu monolayers munggaran cai adsorbed memang dianggap immobile sarta solid-kawas kusabab beungkeut hidrogén kuat maranéhanana ka beungeut OH-terminated (32) (tingali Gbr. S2).Regangan O─H pakait sareng silanol hidrogén nu kabeungkeut kana lapisan cai és kapanggih dina 3540 cm−1 dina spéktra FTIR.Kabéh nano-SCEs némbongkeun, memang, puncak béda dina 3540 cm−1 pikeun cai és sanggeus drying vakum sarta sanggeus drying salajengna dina kotak sarung (Gbr. 2).Malah pikeun nano-SCE equilibrated dina 0,0005% RH (kotak sarung), spéktroskopi Raman masih némbongkeun ayana sahenteuna hiji monolayer parsial (Gbr. 4B).Monolayer kaopat dina silika planar dipercaya mangrupa lapisan transisi, hartina masih adsorbed jeung diwatesan tapi bisa mibanda sababaraha mobilitas.Ti lapisan kalima on, caina janten mobile sarta cair-kawas.Cai kawas cair bakal muncul dina jumlah gelombang nu leuwih luhur dina spéktrum FTIR alatan tingkat handap beungkeutan H dina cai cair.Pikeun nano-SCE anu kakeunaan 60% RH, 3540-cm−1peak memang nunjukkeun getaran tambahan anu dialihkeun ka nomer gelombang anu langkung luhur kusabab lapisan cai cair anu diserep tambahan.Anu pikaresepeun dina hal ieu nyaéta ékspérimén dimana sampel kakeunaan 30% RH, sabab henteu aya cai cair anu dipiharep dina silika dina kalembaban ieu (gbr. S2).Pikeun conto ieu, ngan ukur puncak 3540 cm−1 pikeun cai és anu katingal dina FTIR.Salaku tambahan, teu aya puncak cai bébas anu dideteksi dina 1635 cm−1 bahkan saatos 4 dinten dina 30% RH.Ieu ngandung harti yén cai henteu dicandak ku Li-TFSI higroskopis anu leyur dina BMP-TFSI hidrofobik nalika nano-SCE digaringkeun ku perlakuan vakum.Ku alatan éta, sagala cai tambahan dina SCE bakal adsorbed dina beungeut silika OH-terminated.Lantaran kitu, pikeun silika planar, matriks silika SCE aya dina kasatimbangan jeung tekanan parsial cai di lingkungan.

Pikeun nguji hipotésis ieu salajengna, konduktivitas ion nano-SCE (x = 1, 1,5, jeung 2) diukur dina béda% RH;sampel anu kakeunaan campuran dikawasa gas N2 garing sarta moistened dina kotak sarung pikeun 2 poé pikeun ngidinan sinyalna cai adsorbed ngahontal kasatimbangan (Gbr. 3D).Pikeun titik dina ~ 0% RH, konduktivitas pikeun nano-SCE equilibrated dina kotak sarung dicandak.Astonishingly, konduktivitas ion versus RH (%) profil dituturkeun kabiasaan ekspektasi pikeun adsorption cai dina silika planar (gbr. S2).Antara 0 jeung 30% RH, konduktivitas ngaronjat kalayan ngaronjatna RH.saperti nu diharapkeun pikeun kanaékan dénsitas lapisan és adsorbed sarta ketebalan (pakait jeung hiji nepi ka tilu lapisan és dina silika planar).Catet yén FTIR nunjukkeun yén henteu aya cai bébas dina nano-SCE salami sababaraha dinten dina 30% RH.A transisi katempona sabudeureun 50% RH, pakait jeung kaayaan dimana lapisan cai adsorbed transisi diperkirakeun pikeun silika planar.Antukna, ngaronjat stepped béda dina konduktivitas ion kapanggih nuju 60% jeung kalembaban nu leuwih luhur dimana, dina kamiripan jeung silika planar, ayeuna, ogé lapisan cai kawas cair kamungkinan kabentuk dina panganteur antara silika jeung ILE embedded.Kalayan FTIR, lapisan cai cair dina lapisan és ayeuna dideteksi ku pergeseran puncak geter silanol/és/cai ka énergi anu langkung luhur (Gbr. 2A).Parobahan observasi dina konduktivitas téh malik;sahingga, nano-SCE bisa meta salaku sensor kalembaban sarta éléktrolit Li-ion.Tina Gbr. 3D, konduktivitas ion tina nano-SCE langsung saatos anneal vakum pakait sareng kasatimbangan silika terhidrasi tina ~ 10% RH.Konduktivitas ion pikeun jenuh dina kondisi kamar garing (~ 0,5% RH) bakal sabudeureun 0,6 mS/cm (pikeun x = 2).Percobaan ieu sacara nyata nunjukkeun pangaruh cai antarmuka dina konduktivitas ion.Pikeun RH> 60%, konduktivitas ion anu langkung luhur tiasa dijelaskeun ku difusi anu langkung gancang tina Li + anu terlarut ngalangkungan lapisan anu siga cair.Sanajan kitu, dina kasus lapisan és padet, difusi ion Li+ bakal jadi tipe difusi solid-state sahingga leuwih laun ti ngaliwatan cairan ionik sorangan.Gantina, ningkatna ieu attributed ka adsorption ditingkatkeun tina anion organik jeung kation tina Li-uyah jeung molekul cair ionik, sakumaha diusulkeun dina modél handap.

Urang ngajukeun model dimana molekul cairan ionik adsorbed dina beungeut silika ngaliwatan H-sasak jeung lapisan és immobile dina grup silanol (Gbr. 4).Sifat intrinsik réaksi kondensasi hidrolisis nyadiakeun dénsitas silanol pangluhurna (4 × 1014 nepi ka 8 × 1014 cm−2, nu cocog oge jeung dénsitas hiji monolayer és kalawan ~8 × 1014 molekul cai per cm2) (34).Bukti interaksi molekular antara atom O anion TFSI sareng silika dirumuskeun ku FTIR, anu nunjukkeun dua kali puncak O═S═O pikeun sadaya nano-SCE dibandingkeun sareng rujukan ILE (Gbr. 4A; spéktra pinuh. dina Gbr. S8).Pergeseran puncak tambahan kalayan kira-kira −5 cm−1 ti 1231 cm−1 nunjukkeun beungkeutan gugus O═S═O sahenteuna pikeun sabagian anion TFSI.Ku alatan éta, H-beungkeutan anion TFSI dina lapisan cai és dianggap.Salajengna, kation BMP hidrofobik ageung pakait sareng lapisan TFSI munggaran, ngalengkepan lapisan adsorbed munggaran molekul cair ionik.Sedengkeun pikeun lapisan és, molekul-molekul BMP-TFSI anu diserep lolobana teu bisa gerak, sahingga manjangkeun lapisan és nu kawas padet dina beungeut silika.Kusabab anion TFSI boga gugus O═S═O simetris, hiji atom oksigén bisa berinteraksi jeung beungeut silika dihidroksilasi sedengkeun nu séjén ngabentuk titik nempel pikeun kation BMP.Anion TFSI ogé gaduh dua gugus O═S═O, ngajamin adsorpsi teguh sareng susunan padet tina monolayer anion.Adsorpsi téh paling éfisién dina kasus lapisan és padet jeung dénsitas pangluhurna OH-grup salaku titik nempel poténsial.Dina ayana ngan gugus silanol, adsorpsi bisa jadi teu cukup kuat pikeun ngabentuk lapisan adsorbate kontinyu.Sajaba ti éta, ngaronjatna jumlah monolayers és dipikawanoh pikeun ngaronjatkeun kakuatan beungkeut hidrogén (35).Catet yén interaksi molekular antara kation BMP sareng monolayer TFSI anu diurutkeun bakal béda sareng dina cairan ionik dimana anion TFSI ngagaduhan kabebasan rotasi sareng henteu aya polarisasi tina permukaan dasarna.Muatan kation BMP badag memang disebarkeun ngaliwatan loba atom ku polarisasi beungkeut intrinsik jeung ku interaksi molekular jeung lingkungan kimia na, husus, adsorbed anion TFSI.Beungkeutan H antara gugus-O anion TFSI jeung terminasi OH tina lapisan és ayeuna ngawanohkeun hiji dipole dina lapisan adsorbed munggaran, ngainduksi susunan molekular salajengna ku asosiasi.Hal ieu dipercaya yén dina titik ieu, molekul Li-TFSI nu leuwih leutik adsorb dina lapisan molekul dimana anion TFSI ayeuna ngimbangan residual muatan dipolar positif hiji atawa leuwih tina kation BMP dina lapisan luhur, ku kituna loosening pakaitna jeung Li na. ion.Ku cara kieu, konsentrasi Li+ bébas ngaronjat dina panganteur ieu, ngarah kana konduktivitas ion luhur.Lantaran kitu, lapisan és anu leuwih padet tur leuwih kandel tuluy ngawanohkeun hiji dipol gedé kalawan muatan sésa-sésa nu leuwih luhur pikeun ngimbangan, méré konséntrasi Li+ bébas sabanding luhur jeung ku kituna konduktivitas ion.

Di luhureun lapisan ILE adsorbed, boh lapisan ILE sejen bisa adsorb sarupa jeung multilayers és dina silika atawa tarikan dipole tina lapisan és lemah teuing jeung ILE kabeungkeut enteng aya di luhur, nu lajeng bisa nyadiakeun konduksi cair-kawas pikeun ion Li+ dileupaskeun dina lapisan adsorbed handap (Gbr. 4C).Parobahan dina konséntrasi ion Li+ bébas dikuatkeun ku pangukuran spéktroskopi NMR sareng Raman.Pangukuran Raman sacara teu langsung nunjukkeun yén fraksi gedé ion Li+ bébas memang aya dina nano-SCE kalawan leuwih lapisan cai és kabeungkeut silika (Gbr. 5).Raman ngukur pakaitna kation jeung TFSI ku probing geter tina N-grup anion TFSI (36).Dina cairan ionik BMP-TFSI murni, ngan ukur puncak tunggal dina 741 cm−1 anu katingali.Dina kasus ILE murni, puncak tambahan katingal dina 746 cm−1 dimana dua anion TFSI koordinat sareng hiji ion Li+ [tingali itungan téori fungsional dénsitas (DFT) dina Bahan sareng Métode].Pikeun sakabéh nano-SCEs, inténsitas puncak dina 746 cm−1 leuwih lemah batan nu keur ILE, nunjukkeun fraksi leutik Li-TFSI pakait jeung, akibatna, fraksi gedé tina kation Li+ nonassociated atawa bébas.Puncakna turun drastis pikeun nano-SCE anu nunjukkeun paningkatan konduktivitas pangluhurna, nyaéta, lapisan és anu paling kandel.Pikeun nano-SCE dina kasatimbangan dina kotak sarung, masih, fraksi Li+ bébas diukur sanajan leuwih leutik batan sampel vakum-annealed.Babandingan intensitas puncak pikeun 746 leuwih 741 cm−1 Raman shifts lajeng mangrupakeun ukuran rasio bébas pikeun TFSI-pakait Li-ion (Gbr. 5B).Kanaékan linier dina fraksi ion Li + bébas kalawan nilai x nicely nuturkeun trend ningkatna konduktivitas jeung nilai x dina Gbr. 3B, duanana pikeun vakum garing nano-SCE (dinten 0) jeung SCE dina kasatimbangan jeung kagaringan kotak sarung (dinten). 138).

(A) spéktra Raman cairan ionik (IL; garis biru dotted) jeung rujukan ILE (ILE; garis dash-dotted) tina sakumaha disiapkeun nano-SCE (vakum garing) kalawan nilai x 0,5 (héjo), 1,5 (konéng) , jeung 2 (coklat) jeung nano-SCE (x = 1,5) Sajaba garing dina kotak sarung pikeun 30 poé atawa deukeut jenuh dina 0,0005% RH (beureum).Garis vertikal labél Raman shift pikeun TFSI kalawan N puseur na koordinat kana Li+ (746 cm−1) jeung teu koordinasi jeung Li+ (741 cm−1), masing-masing.(B) Rasio bébas pikeun ngagabung Li+ nano-SCE sakumaha disintésis (vakum garing, bunderan hideung) jeung tambahan garing dina kotak sarung jeung 0,0005% RH salila 30 poé (inten biru), pakait jeung rasio inténsitas terpadu tina Puncak Raman (746 cm−1 leuwih 741 cm−1).(C) PFG-NMR-turunan Li + koefisien difusi diri nano-SCE (inten beureum) sareng ref ILE.(kuadrat hideung) salaku fungsi tina interval antara gradién pulsa médan magnét.Puncak téoritis dina spéktra Raman disimulasikan ngagunakeun itungan DFT.

Tina gradién médan pulsa NMR (PFG-NMR), koefisien difusi diri tina spésiés Li-ion sélulér anu béda ditangtukeun salaku fungsi tina interval antara pulsa médan magnét gradién ∆ pikeun rujukan cair ILE sareng pikeun nano- SCE (x = 1,5) jeung konduktivitas ion sarua 0,6 mS/cm (Gbr. 5C).Koefisien difusi diri Li+ dina rujukan ILE konstan, nunjukkeun yén ngan hiji atawa sababaraha spésiés Li kalawan mobilitas sarupa pisan aya dina cairan.Pikeun nano-SCE, koefisien difusi diri variasina kalawan ∆ sarta ngaleuwihan ILE dina ∆ pondok, nunjukkeun ayana spésiés pindah gancang nu ngabales ukur dina interval pondok antara pulsa médan magnét.Gradién dina koefisien difusi diri nunjukkeun yén gigireun kanaékan konsentrasi Li-ion bébas, sakumaha disimpulkeun tina spéktroskopi Raman, énergi aktivasina pikeun difusi diturunkeun dina lapisan panganteur mésophase ogé.Ieu ngarojong ningkatna konduktivitas diwanohkeun ku (leuwih) bébas ion Li+ dina lapisan mésophase.Dina ∆ panjang, koefisien difusi diri leuwih handap tina rujukan ILE.Ieu nguatkeun konduktivitas ion anu langkung handap pikeun kotak sarung tangan-jenuh nano-SCE dibandingkeun sareng ILE.ILE anu dikurung dina inti mesopores bakal gaduh viskositas anu langkung luhur kusabab pangwatesan gerakan molekular.Lantaran kitu, paningkatan ku nyiptakeun Li-ion anu sumebar langkung gancang dina antarmuka silika / és / ILE kedah ngimbangan panurunan konduktivitas dina inti pori.Ieu ngécéskeun henteuna ningkatna dina sistem basis partikel dimana interfaces teu nyadiakeun promotion konduksi ion cukup (gbr. S1).

Stabilitas éléktrokimia tina nano-SCE ngalawan logam litium diuji ngagunakeun setelan tilu-éléktroda (skéma tina setelan ditémbongkeun dina Gbr. S7).Karakteristik poténsial ayeuna Li / SCE (x = 1,5) sareng satengah sél Li / ILE dipidangkeun dina Gbr. 6A.Sedengkeun pikeun jandela éléktrokimia dina Gbr. 2, éléktrokimia diwatesan ku filler ILE.Malik litium plating jeung stripping dititénan.Lapisan interfase éléktrolit padet (SEI) anu stabil dibentuk dina litium logam kalayan RSEI sakitar 0,9 kilo-ohm·cm2, tanggung jawab kana turunna IR anu ageung dina kurva iU dina sisi katodik sareng anodik.Arus katodik dina solusi ILE murni henteu nunjukkeun histeresis dugi ka -2,5 mA / cm2.Sanajan kitu, disolusi anodik némbongkeun puncak passivation kalawan arus anodic kaayaan ajeg ngan 0,06 mA/cm2.Cabang arus katodik dina antarbeungeut Li/SCE padet-padet teu némbongkeun histeresis pikeun arus katodik kurang ti −0,5 mA/cm2.Résistansi tina SEI éta, kumaha oge, ngeunaan ganda.Nya kitu, puncak anodik leuwih handap sarta arus kaayaan ajeg sanggeus puncak passivation anodic éta 0.03 mA/cm2, ngan satengah tina solusi ILE murni.Wangunan SEI jeung lapisan passivation dina pori-pori SCE ngawatesan arus dina logam litium.Boh voltammograms pikeun éléktroda Li / ILE sareng Li / SCE tiasa diulang dina sababaraha siklus, nunjukkeun yén lapisan passivation anodic sareng lapisan SEI kimiawi tiasa malik sareng stabil.Kinétika disolusi anu laun dina antarmuka Li/SCE ngabatesan kinerja satengah sél anu dilakukeun ku anoda logam Li di handap.

(A) Voltammogram siklik nano-SCE (x = 1,5, sakumaha disintésis sanggeus drying vakum) (beureum) jeung rujukan ILE (hideung) diukur dina konfigurasi tilu-éléktroda jeung Li sakumaha digawé, counter, sarta éléktroda rujukan (SEI lalawanan diperkirakeun ti IR serelek on cathodic ayeuna nyaeta 0,9 jeung 1,8 kilo-ohm·cm2 pikeun ILE jeung SCE, mungguh).(B) Kurva muatan/discharge Galvanic sél Li/SCE (x = 1)/100-nm pilem ipis sél LiMn2O4 pikeun lima siklus dina C-rate of 1C, 5C, jeung 20C.(C) Voltammograms siklik tina Li / SCE / 40-μm Li4Ti5O12 jeung Li / SCE / 30-μm LiFePO4 sél éléktroda bubuk (1 mV / s).(D) Galvanic muatan / ngurangan kurva Li / SCE / 40-μm Li4Ti5O12 bubuk éléktroda dina 1C, 0.1C, 0.2C, sarta 0.02C.(E) Galvanic muatan / ngurangan kurva éléktroda bubuk Li / SCE / 30-μm LiFePO4 dina 1C, 0.5C, 0.2C, 0.1C, 0.05C, sarta 0.01C.(F) Kapasitas (inten kaeusi pikeun delithiation jeung kuadrat kabuka pikeun lithiation) versus jumlah siklus tina Li / SCE / 30-μm LiFePO4 éléktroda bubuk;ketebalan SCE dina sél kira 280 μm.Kapadetan katoda LFP sareng LTO masing-masing kirang langkung 1,9 sareng 11,0 mg / cm2.(G) Poténsi versus kurva waktu tumpukan Li/SCE/Li didaur dina kapadetan ayeuna 0,1, 0,2, 0,5, jeung 0,1 mA/cm2.(H) The 1st, 10th, 125th, jeung polarisasi panungtungan tina tumpukan Li / SCE / Li stressed dina 0,1 mA / cm2, ditémbongkeun dina (G).Pikeun (G) sareng (H), SCE gaduh konduktivitas 0. 34 mS / cm, sareng ketebalan pellet SCE nyaéta 0.152 cm.

Film ipis 100-nm LiMn2O4 (LMO) dipaké salaku modél éléktroda positif pikeun nguji duanana stabilitas nano-SCE jeung bahan éléktroda bari ngaleungitkeun poténsi masalah panganteur dina éléktroda komposit partikel (37).Kinerja Ngabuburit tina éléktroda pilem ipis / tumpukan SCE nunjukkeun stabilitas antarbeungeut antara éléktroda sareng éléktrolit.Dina setup film tipis model ieu, ngan hiji kontak interface tunggal, well-didefinisikeun, jeung planar antara éléktrolit jeung éléktroda, nyaéta platform idéal pikeun diajar éléktrokimia antar muka éléktrolit/éléktroda tanpa masalah parobahan volume. , jsb Oge dina percobaan ieu, kinerja laju teu diwatesan ku éléktroda counter Li-foil, sakumaha dénsitas ayeuna (6 μA / cm2 pikeun 1C) handap nu ti dataran arus anodic steady-state keur litium satengah- sél (0,03 mA/cm2).Reproducible sarta stabil muatan / kurva ngurangan diala pikeun tegangan cutoff dina 4,3 V pikeun C-ongkos antara 1 jeung 20C pikeun leuwih 20 siklus (Gbr. 6B).LMO teu stabil dina éléktrolit cair pikeun LiB.Contona, réduksi kapasitas 50% dititénan dina muatan pilem LMO 100-nm pikeun 10 siklus dina éléktrolit LiClO4/propilén karbonat dina 1C (37).Hasilna nunjukkeun yén nano-SCE langkung cocog sareng LMO tibatan éléktrolit cair biasa.

Pikeun nunjukkeun integrasi nano-SCE, kami ogé nyiptakeun satengah sél sareng éléktroda bubuk Li4Ti5O12 (LTO) sareng LiFePO4 (LFP).Leyuran prékursor ieu leupaskeun-casted kana sél koin pikeun impregnate éléktroda porous sarta ditinggalkeun pikeun gelation salajengna saméméh maranéhna garing sarta vakum-annealed sarupa pikeun pellets nano-SCE.Sél nembongkeun ciri lithiation / delithiation tina éléktroda pakait (Gbr. 6C).Arus puncak handap pikeun LFP ti LTO téh alatan bédana dina ketebalan palapis.Kinerja laju salila pangukuran muatan / ngurangan ayeuna diwatesan ku éléktroda counter Li-foil dipencet dina lapisan nano-SCE kabentuk dina luhureun 30- ka 40-μm-kandel éléktroda coatings (Gbr. 6, D jeung E).Sél LTO / nano-SCE / Li ngahontal kapasitas maksimum na 160 mA · jam / g ngan dina low C-rate of 0,02C (Gbr. 6D).Kapasitas diaksés turun gancang kalayan C-rate kalawan kirang ti 10% keur C-rate leuwih badag batan 0.1C.Nya kitu, sél LFP / SCE / Li ngahontal kapasitas maksimum na ngeunaan 140 mA · jam / g dina 0.01C (Gbr. 6E).Gambar 6F nembongkeun kinerja laju pikeun total 30 siklus, demonstrating konfigurasi sél stabil.Percobaan ieu nunjukkeun pungsionalitas nano-SCE salaku éléktrolit Li-ion sareng kamungkinan pikeun integrasi dina sél Li-ion.

Stabilitas atanapi cyclability tina nano-SCE diuji ngagunakeun Li / SCE / Li tumpukan simetris.Ieu cycled pikeun leuwih ti 120 siklus dina dénsitas ayeuna 0,1 mA / cm2 pikeun 0,5 jam (Gbr. 6G) tanpa masalah atawa formasi dendrite (Gbr. 6H).Tegangan polarisasi janten langkung alit dina waktosna, nunjukkeun perbaikan kontak.Leuwih ti éta, sél ieu stressed nepi ka dénsitas ayeuna 0,5 mA / cm2, tanpa formasi dendrites litium atawa tanda deterioration tina nano-SCE atawa panganteur (Gbr. 6G).Litium logam dipikanyaho ngabentuk lapisan interphase pelindung atanapi SEI dina permukaanna dina ILE berbasis BMP-TFSI (27).Réaksi ieu ogé lumangsung dina panganteur litium / nano-SCE;sakumaha dibahas dina Gbr. 6A, SEI bisa tumuwuh rada jero pori, ngajelaskeun résistansi SEI luhur pikeun nano-SCE ti ILE (tingali luhureun).Buktina pikeun lapisan SEI dicandak tina spéktra IR (gbr. S9).Sarupa jeung hiji palapis SEI dina LiB klasik, nu layar éléktroda grafit ti éléktrolit cair Ngahindarkeun réaksi salajengna, kami yakin yén SEI dieu ogé ngajaga lapisan cai és tina réaksi salajengna ti anoda litium logam.Spéktrum impedansi sateuacan sareng saatos polarisasi Li / nano-SCE (x = 1.5) salami 10 jam henteu nunjukkeun parobahan dina résistansi éléktrolit bulk.Pangukuran kinerja siklus panjang bakal diperlukeun pikeun ngaluarkeun drying slow nano-SCE ku logam litium, tapi hasil ieu geus nembongkeun potensi cyclability alus teuing tina SCE dina batré solid-state basis logam litium.Sanajan kitu, palapis interphase jieunan bisa dianggap pikeun ngaronjatkeun impedansi panganteur sakabehna.

Kami geus ditémbongkeun yén promosi konduksi ion di interfaces silika bisa dihontal ngaliwatan bubuka lapisan cai chemisorbed on surfaces silika OH-terminated.Anion TFSI nyerep kana lapisan fungsional cai ieu ngaliwatan beungkeutan hidrogén jeung gugus O═S═O simetris.Lapisan permukaan cai henteu gerak sareng ku kituna ogé nyepetkeun lapisan TFSI anu diserep kana permukaan.Kation BMP badag pakait jeung monolayer TFSI, sahingga ngawanohkeun susunan molekular TFSI-BMP dina beungeut cai.Kami yakin yén gelation slow di lingkungan cai jeung slow drying mantuan dina formasi concerted tina lapisan cai fungsi jeung lapisan diatur ion organik dina luhureun éta.Kusabab lapisan anion TFSI kahiji babagi bagian tina muatan négatip na jeung silika hidroksilasi, lapisan kation BMP di luhur bakal neangan pakaitna jeung anion TFSI sejen, whereby sababaraha BMP bisa babagi muatan uncompensated maranéhanana jeung hiji TFSI (sigana tilu nepi ka hiji sakumaha dina rasio IL ka Li-TFSI dina ILE).Kusabab molekul uyah Li-TFSI boga pendekatan pangdeukeutna, ion Li+ bakal disosiasi jeung dibébaskeun pikeun difusi gancang sapanjang lapisan panganteur ieu.Pikeun konduksi ditingkatkeun, spésiés Li+ bébas ieu merlukeun sahanteuna hiji lapisan cairan ionik tambahan pikeun mindahkeun ngaliwatan.Ku sabab kitu, nano-SCE kalawan nilai x low 0,5 némbongkeun euweuh konduktivitas ditingkatkeun, sabab volume ILE / aréa permukaan silika cukup pikeun hiji monolayer katutup.

Ieu salajengna ditémbongkeun yén cai permukaan padet-kawas atawa lapisan és teu éléktrokimia aktip.Dina titik ieu, urang teu bisa ngaluarkeun yén cai és dina kontak langsung jeung beungeut éléktroda teu ngaréaksikeun.Najan kitu, urang némbongkeun yén kaluar-difusi tina cai permukaan téh slow sahingga kinetically negligible pikeun deteksi.Urang nyadar yén kontaminasi cai, sanajan éta leutik, bakal salawasna jadi perhatian, sarta ngan tés siklus hirup panjang bisa nyadiakeun jawaban definite on naha cai geus cukup kabeungkeut.Sanajan kitu, lapisan permukaan fungsi séjén nu masihan promosi permukaan sarupa atawa malah leuwih badag ayeuna bisa dimekarkeun.Dina hal ieu, gugus Li parantos nunjukkeun poténsi lapisan glycidyloxypropyl salaku gugus fungsi (18).Cai és asalna tina silika sahingga cocog pikeun diajar pangaruh fungsionalisasi permukaan dina promosi konduksi ion sacara sistematis, sakumaha anu dibuktikeun di dieu.Sajaba ti éta, lapisan mesophase sarta dipol na bakal gumantung kana oksida jeung molekul organik adsorbed sahingga bisa disetel ku duanana.Di laboratorium, kami parantos nunjukkeun bédana ageung dina promosi konduksi ion pikeun cairan ionik anu béda.Salajengna, prinsip anu dipidangkeun umumna nuju konduksi ion sareng tiasa ogé diterapkeun pikeun sistem ion anu béda anu cocog, contona, pikeun batré natrium, magnesium, kalsium, atanapi ion aluminium.Dina kacindekan, éléktrolit nanocomposite kalayan konduksi panganteur ditémbongkeun di dieu mangrupakeun konsép tinimbang hiji bahan tunggal, nu bisa salajengna (nano) direkayasa pikeun sipat dipikahoyong tina konduksi ion, angka angkutan, jandéla éléktrokimia, kaamanan, sarta biaya pikeun generasi sél batré hareup. .

Nano-SCE disusun nganggo metode sol-gél.Litium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide Li-TFSI;Sigma-Aldrich;99,95%), 0,5 ml H2O deionized, 0,5 ml TEOS (Sigma-Aldrich; 99,0%), 1-butyl-1-methylpyrrolidinium bis (trifluoromethylsulfonyl)imide (BMP-TFSI; Sigma-Aldrich; 98,5%), jeung 1 ml PGME dicampurkeun dina vial kaca.Babandingan molar, x, antara [BMP] [TFSI] sarta TEOS dina campuran ieu variatif antara 0,25 jeung 2. Babandingan molar Li[TFSI] sarta [BMP] [TFSI] ieu dibereskeun dina 0,33: 1.Jumlah Li[TFSI] jeung [BMP][TFSI] ditangtukeun tina babandingan ieu.Contona, nalika x = 1, anu ditambahkeun [BMP][TFSI] jeung Li[TFSI] dina leyuran éta 0,97 jeung 0,22 g, masing-masing.Campuran dikocok salila 1 menit pikeun ngabentuk solusi monophasic.Leyuran ieu lajeng disimpen dina vials katutup tanpa diaduk pikeun ngabentuk gél dina suhu- sarta chamber-dikawasa asor (SH-641, ESPEC Corp.) kalawan suhu sarta RH% diatur dina 25 ° C jeung 50%, masing-masing.Gumantung kana x, campuran nyandak, rata-rata, 5 nepi ka 9 poé pikeun ngabentuk gél jelas.Saatos gelation, vials kalawan 2.4- nepi ka 7.4-ml gél mimiti garing dina 40 ° C salila opat poé pinuh dina tekanan rada ngurangan (80 kPa) lajeng dipindahkeun kana oven vakum salila 72 jam dina 25 ° C.Salaku Uap sésana ieu dihapus, vakum laun turun tina tekanan awal sabudeureun 50 Pa ka tekanan konstan final 5 Pa sanggeus ngeunaan 1 poé.Kusabab jumlah cai anu ageung sareng PGME anu kedah dileungitkeun, pellets SCE anu dihasilkeun parantos nyusut tina 20% (x = 0,5) dugi ka ~ 50% (x = 2) tina volume gél asli.Beurat gél anu dihasilkeun diukur ku kasaimbangan semimikro (SM 1245Di-C, VWR).

TGA dipigawé dina Q5000 IR (Instrumén TA, New Castle, DE, AS) handapeun nitrogén.Salila pangukuran, sampel dipanaskeun nepi ka 700 ° C dina laju pemanasan 2 ° C / mnt.FTIR spéktrometri dipigawé maké Bruker Vertex 70 dina jumlah gelombang mimitian ti 4000 nepi ka 400 cm−1 dina mode transmisi.Anjeunna piknométri dilakukeun nganggo Micromeritics AccuPyc II 1340.

Pikeun ngukur konduktivitas ionik, volume leutik SCE dicandak tina vial indung di jero kotak sarung tangan anu dieusi Ar (0.1-ppm H2O sareng 0.1-ppm O2).Kira-kira 23 μl SCE dieusian dina cingcin polytetrafluoroethylene (PTFE) kalayan diameter jero 4,34 mm sareng jangkungna 1,57 mm, ngabentuk pellet.Pellet dina ring ieu lajeng sandwiched antara dua stainless steel (SS) disk (0,2 mm kandel; MTI).Pangukuran impedansi dilakukeun nganggo PGSTAT302 (Metrohm), kalayan amplitudo AC 5 mV dina rentang frékuénsi ti 1 MHz dugi ka 1 Hz.Konduktivitas ion (σi) ditangtukeun tina intercept frékuénsi luhur jeung sumbu nyata dina plot Nyquist.Saatos pangukuran konduktivitas, pellet nano-SCE diidinan langkung garing dina kotak sarung tangan.Pikeun pangukuran gumantungna suhu, tumpukan SS / SCE / SS disegel dina sél koin.Saatos sealing, konduktivitas tetep konstan pikeun sababaraha poé (tingali Gbr. S3).Suhu sél koin dikawasa ku jaket termal sareng mandi termal nganggo H2O / étiléna glikol salaku médium kerja.Sél-sél mimitina leuwih tiis nepi ka kira-kira −15°C terus dipanaskeun sacara léngkah-léngkah nepi ka 60°C.

Ti unggal pellet nano-SCE, kira-kira 23 μl dibawa kana cingcin (diaméter jero 4.34-mm sareng jangkungna 1.57-mm) kanggo pangukuran listrik langsung di jero kotak sarung tangan anu dieusi N2 kalayan kalembaban anu dikontrol.Cincin sareng SCE teras diapit antara dua piringan SS (kandel 0,2 mm; MTI).Pangukuran impedansi dilakukeun nganggo PGSTAT302 (Metrohm) kalayan amplitudo AC 5 mV sareng frékuénsi mimitian ti 1 MHz dugi ka 1 Hz dikontrol ku parangkat lunak Nova.Sampel disimpen dina unggal nilai RH% salami 48 jam sateuacan konduktivitas diawaskeun dugi ka stabilisasi.Konduktivitas ionik stabilized pikeun nilai RH% tinangtu (σi) ditangtukeun tina intercept frékuénsi luhur jeung sumbu nyata dina plot Nyquist.

Sadaya pangukuran éléktrokimia sareng persiapan sampel anu aya hubunganana dilakukeun dina kotak sarung tangan anu dieusi argon (PureLab, PL-HE-4GB-1800; <1-ppm O2 sareng H2O tingkat) khusus pikeun karakterisasi éléktrokimia.

Morfologi pellet sareng sareng tanpa Li [BMP] [TFSI] ILE dipariksa nganggo SEM nganggo alat Thermo Fisher Scientific Apreo dina 1.5 dugi ka 2.0 kV dimana operasi dina mode pencitraan dual-detektor nganggo detektor T1 sareng T2 paralel pikeun pangaluyuan hirup-gambar, sarta detektor T2 dipaké pikeun ngarekam gambar SEM ditémbongkeun;sampel dibereskeun dina pita conductive karbon.TEM dipigawé maké Tecnai operasi di 300 kV.

ILE dipiceun tina pellet SCE ku dua cara anu béda.Hiji pilihan pikeun meunangkeun silika porous dipigawé ku immersing SCE dina aseton salila 12 jam pikeun nimba Li[BMP][TFSI] ILE.Bilas ieu diulang tilu kali.Pilihan séjén nyaéta ku ngarendam SCE dina étanol.Dina hal ieu, étanol dileungitkeun ku ngagunakeun pengering titik kritis CO2 cair.

Dua alat anu béda digunakeun pikeun pengeringan superkritis, nyaéta Automegasamdri-916B, Tousimis (metode 1) sareng alat anu diwangun ku JASCO Corporation (metode 2).Nalika nganggo alat anu munggaran, urutan pengeringan dimimitian ku panurunan suhu dugi ka 8 ° C.Saterusna, CO2 ieu purged ngaliwatan chamber, ngaronjatkeun tekanan ka 5,5 MPa.Dina léngkah di handap ieu, CO2 dipanaskeun nepi ka 41 ° C, ningkatkeun tekanan ka 10 MPa, sareng dijaga salami 5 mnt.Pikeun nyimpulkeun, dina léngkah perdarahan, tekanan diturunkeun salami 10 menit.Nalika nganggo alat anu diwangun khusus, sekuen anu sami dituturkeun.Tapi, waktos sareng tekanan béda sacara signifikan.Saatos léngkah purging, tekanan naék kana 12 MPa dina suhu 70 ° C sareng tetep sapertos kitu salami 5 dugi ka 6 jam.Salajengna, tekanan diréduksi dina interval tina 12 nepi ka 7 MPa, 7 nepi ka 3 MPa, jeung 3 nepi ka 0 MPa dina rentang waktu 10, 60, jeung 10 mnt.

Isoterm physisorption nitrogén diukur dina T = 77 K ngagunakeun Micromeritics 3Flex surface characterization analyzer.Silika porous diala ieu lajeng outgassed pikeun 8 jam dina 100 ° C dina vakum 0.1-mbar.Silika porous diturunkeun tina drying supercritical ieu outgassed pikeun 18 jam dina 120 ° C dina vakum 0.1-mbar.Afterward, isotherms physisorption nitrogén diukur dina T = 77 K maké Micromeritics TriStar 3000 otomatis adsorption analyzer gas.

Pangukuran PFG-NMR dilaksanakeun nganggo JEOL JNM-ECX400.Sekuen pulsa gema anu dirangsang digunakeun pikeun pangukuran difusi.Atenuasi sinyal gema anu dinormalisasi, E, digambarkeun dina persamaan (38)E=exp(−γ2g2δ2D(Δ−δ/3))(1)dimana g nyaéta kakuatan gradién pulsa, δ nyaéta lilana gradién. pulsa, ∆ nyaéta interval antara edges ngarah tina gradién pulsa, γ nyaéta rasio magnetogyric, sarta D nyaéta koefisien difusi diri molekul.Koéfisién difusi diri diperkirakeun ku nyocogkeun sinyal gema anu dicandak ku cara ngarobah ∆ sareng Persamaan.1. 7Li dipilih pikeun nangtukeun koefisien difusi ion litium.Sadaya pangukuran dilakukeun dina 30 ° C.

Setélan spéktroskopi Raman nyaéta sistem homemade maké ion argon anu sanggup disetel ka lampu éksitasi laser 458-nm anu digandengkeun kana mikroskop Olympus IX71 anu terbalik, sarta cahaya anu sumebar ka tukang dialirkeun ngaliwatan setelan spéktrométer triple TriVista (Princeton Instruments). ), anu digunakeun pikeun ngabubarkeun sinyal optik anu dideteksi nganggo kaméra alat anu dipasangan muatan-nitrogén cair.Kusabab daya serep optik anu luhur dina panjang gelombang ieu, kakuatan laser anu kawilang rendah dianggo pikeun ngahindarkeun pemanasan laser (<100 W·cm−2).

Optimasi géométri kaayaan taneuh DFT jeung itungan frékuénsi analitik ngagunakeun B3LYP hibrid fungsional jeung 6-311++G** basis set populér, kalawan koreksi dispersi atom-pasangan Grimme urang (39) jeung skéma damping Becke-Johnson (D3BJ), salaku dilaksanakeun dina ORCA 3.0.3 (40).Spéktra Raman disimulasi nganggo ORCA, sareng visualisasi sipat molekular dihontal nganggo pakét parangkat lunak Avogadro (41) kalayan pembaruan anu dirojong ORCA.

Sadaya pangukuran éléktrokimia sareng persiapan sampel anu aya hubunganana dilakukeun dina kotak sarung tangan anu dieusi argon (PureLab, PL-HE-4GB-1800; <1-ppm O2 sareng H2O tingkat) khusus pikeun karakterisasi éléktrokimia.The SCE pellet ieu disimpen dina pita Li (Sigma-Aldrich; 99.9%) dirojong dina plat tambaga salaku counter éléktroda jeung dua ditinju kaluar disk Li (5-mm diaméterna) ieu disimpen dina luhureun éta SCE pellet pikeun rujukan jeung gawe. éléktroda.Setupna dipidangkeun dina Gbr.S7.Pin emas dianggo pikeun ngahubungi rujukan litium sareng éléktroda kerja.Voltammétri siklik sareng pangukuran impedansi dilakukeun nganggo PGSTAT302 (Metrohm) anu dikontrol ku parangkat lunak Nova.Voltammétri siklik dipigawé kalayan laju scan 20 mV/s.Pangukuran impedansi dilakukeun ku amplitudo AC 5 mV sareng frékuénsi mimitian ti 1 MHz dugi ka 0.1 Hz.

Éléktroda pilem ipis 40-nm anatase TiO2 disimpen ku déposisi lapisan atom (ALD) dina wafer silikon 300-mm kalayan lapisan jero TiN 40-nm ogé disimpen ku ALD.Ieu mangrupa éléktroda test alus teuing pikeun demonstrasi konduktivitas Li-ion ngaliwatan éléktrolit, sakumaha TiO2 teu kakurangan tina degradasi kimiawi atawa stress mékanis (euweuh parobahan volume signifikan) salila Ngabuburit.Pikeun ngukur sél Li / SCE / TiO2, ILE-SCEs dieusian dina cingcin PTFE kalayan diaméter 4,3 mm sarta ketebalan 0,15 cm;saterusna, ring ieu sandwiched antara foil Li jeung pilem TiO2.

Nano-SCE / éléktroda pilem ipis satengah tumpukan, sareng éléktroda LMO, didamel ku nyintésis pilem nano-SCE dina éléktroda.Jumlahna aya 150 μl x = 1,5 solusi, umurna pikeun 2 poé, ieu drop-casted dina cingcin kaca (diaméterna, 1,3 mm) dipasang dina film éléktrolit.Cincinna teras disegel ku parafilm, sareng solusina disimpen dina wadah anu disegel pikeun gél salami 4 dinten.Tumpukan gél / éléktroda anu kabentuk sapertos kitu dikeringkeun pikeun ngabentuk tumpukan nano-SCE / éléktroda.Ketebalan nano-SCE, ditangtukeun maké mikrométer, éta 300 μm.Panungtungan, foil litium (kandel 1,75 mm, 99,9%; Sigma-Aldrich) dipencet dina tumpukan nano-SCE / éléktroda salaku anoda.100-nm LiMn2O4 (LMO) éléktroda pilem ipis ieu disimpen ku sputtering frékuénsi radio dina aliran Ar dina wafer silikon coated kalawan 80-nm Pt (DC sputtering) / 10-nm TiN (ALD) underlayers.tumpukan ieu anil salila 20 mnt dina 800 ° C dina atmosfir oksigén.

Film éléktroda LiFePO4 (LFP) disiapkeun ku palapis sabeulah.Kahiji, karbon hideung jeung LFP (2 nepi ka 3 μm) ditambahkeun kana leyuran cai nu ngandung carboxymethylcellulose (CMC) pikeun ngabentuk campuran nu afterward homogenized maké mixer planet.Lajeng, produk homogenized ieu dicampurkeun jeung cai deionized sarta latex akrilik fluorinated (JSR, TRD202A) dina mixer vakum pikeun ngabentuk slurry pikeun palapis éléktroda.slurry nu disusun ieu tuang dina aluminium foils pikeun deposit film éléktroda maké coater sabeulah.Éléktroda baseuh anu dilapis ieu langsung dikeringkeun dina oven atmosfir kalayan hawa ngeuyeumbeu dina suhu 70 ° C salami 10 mnt teras dikeringkeun dina suhu 140 ° C salami 4 jam dina oven vakum.Film éléktroda garing diwangun ku 91 wt % LiFePO4, 3 wt % karbon hideung, 2 wt % CMC, jeung 4 wt % TRD202A.Ketebalan pilem nyaéta 30 μm (ditetepkeun nganggo mikrométer sareng mikroskop éléktron scanning).

Film éléktroda Li4Ti5O12 (LTO) dijieun dina foil tambaga dina cara nu sarua.Komposisi éléktroda garing nyaéta 85 wt% Li4Ti5O12, 5 wt % karbon hideung, 5 wt % CMC, sareng 5 wt % fluorinated acrylic latex (TRD2001A).Ketebalan pilem nyaéta 40 μm.

Leyuran SCE ieu drop-casted dina LFP basis partikel sarta pilem éléktroda LTO.Kahiji, 100 μl x = 1,5 solusi, umur pikeun 2 poé, ieu drop-casted dina film éléktroda, kalayan diaméter 15 mm, disimpen dina sél koin (#2032, MTI).Saatos SCE impregnated ieu gelled, film ieu garing dina 25 ° C salila 72 jam dina oven vakum (<5 × 10−2 mbar) nyieun nano-SCE jeung éléktroda tumpukan.Ketebalan nano-SCE nyaéta 380 μm.Panungtungan, foil litium dipencet dina tumpukan SCE / éléktroda salaku anoda, sareng sél koin disegel.Pangukuran éléktrokimia dilakukeun nganggo potentiostat Solartron 1470E dina suhu kamar.

Bahan tambahan pikeun tulisan ieu sayogi di http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/2/eaav3400/DC1

Tabél S1.Sipat struktural matriks silika dina nano-SCE pikeun ngaronjatkeun fraksi molar cairan ionik pikeun silika (nilai x) ditangtukeun tina N2 adsorption / desorption atawa BET ukuran sarta observasi TEM.

Ieu mangrupikeun artikel aksés kabuka anu disebarkeun dina kaayaan lisénsi Creative Commons Attribution-NonCommercial, anu ngamungkinkeun panggunaan, distribusi, sareng réproduksi dina médium naon waé, salami pamakean anu hasilna henteu kanggo kauntungan komersil sareng upami karya aslina leres. dicutat.

CATETAN: Kami ngan ukur nyuhunkeun alamat email anjeun supados jalma anu anjeun nyarankeun halaman éta terang yén anjeun hoyong aranjeunna ningali éta, sareng éta sanés surat sampah.Kami henteu nyandak alamat email.

Patarosan ieu pikeun nguji naha anjeun nganjang manusa atanapi henteu sareng pikeun nyegah kiriman spam otomatis.

Ku 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 M. Vereecken

Ku 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 M. Vereecken

© 2020 Asosiasi Amérika pikeun Kamajuan Élmu.Sadaya hak disimpen.AAAS mangrupikeun mitra HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef sareng COUNTER.Science Advances ISSN 2375-2548.