సాలిడ్-స్టేట్ లి-అయాన్ బ్యాటరీలకు మారడం వలన 1000 W·hour/liter మరియు అంతకు మించిన శక్తి సాంద్రతల వైపు పురోగతిని అనుమతిస్తుంది.నాన్‌వోలేటైల్ అయానిక్ లిక్విడ్ ఎలక్ట్రోలైట్ ఫిల్లర్‌లతో నిండిన మెసోపోరస్ ఆక్సైడ్ మాతృక మిశ్రమాలు ఘన ఎలక్ట్రోలైట్ ఎంపికగా అన్వేషించబడ్డాయి.అయినప్పటికీ, నానోమీటర్-పరిమాణ రంధ్రాల లోపల ఎలక్ట్రోలైట్ పరిష్కారాల యొక్క సాధారణ నిర్బంధం స్నిగ్ధత పెరిగేకొద్దీ తక్కువ అయాన్ వాహకతకు దారితీస్తుంది.అయానిక్ లిక్విడ్ ఎలక్ట్రోలైట్ ఫిల్లర్‌తో మెసోపోరస్ సిలికా మోనోలిత్‌తో కూడిన నానోకంపొసైట్‌ల లి-అయాన్ వాహకత ఇంటర్‌ఫేషియల్ ఐస్ లేయర్‌ను ప్రవేశపెట్టడం ద్వారా స్వచ్ఛమైన అయానిక్ లిక్విడ్ ఎలక్ట్రోలైట్ కంటే చాలా రెట్లు ఎక్కువగా ఉంటుందని ఇక్కడ మేము నిరూపించాము.అయానిక్ ద్రవ అణువుల యొక్క బలమైన శోషణ మరియు క్రమం వాటిని ఇంటర్‌ఫేషియల్ మంచు పొర వలె కదలకుండా మరియు ఘన-లాగా మారుస్తుంది.యాడ్సోర్బేట్ మెసోఫేస్ పొరపై ఉన్న ద్విధ్రువ మెరుగైన ప్రసరణ కోసం Li+ అయాన్‌ల పరిష్కారానికి దారి తీస్తుంది.అయాన్ ప్రసరణ మెరుగుదల యొక్క ప్రదర్శించబడిన సూత్రం వివిధ అయాన్ వ్యవస్థలకు వర్తించవచ్చు.

ప్రస్తుతం అందుబాటులో ఉన్న క్యాథోడ్ మరియు యానోడ్ కెమిస్ట్రీలపై విధించిన 800 W·hour/liter లేదా 300 W·hour/kg ప్రాక్టికల్ సీలింగ్‌ను అధిగమించడానికి Li-ion బ్యాటరీలకు సాలిడ్-స్టేట్ ఎలక్ట్రోలైట్‌లు తదుపరి ప్రోత్సాహాన్ని అందిస్తాయని భావిస్తున్నారు.సాలిడ్-స్టేట్ బ్యాటరీల కోసం శక్తి సాంద్రతలో ఊహించిన పెరుగుదల అనేక సహకారాల నుండి వచ్చింది, అన్నీ సెల్‌లోని క్రియాశీల పదార్ధం యొక్క వాల్యూమ్ శాతాన్ని పెంచడాన్ని లక్ష్యంగా చేసుకుంటాయి.గ్రాఫైట్ మరియు గ్రాఫైట్/సిలికాన్‌లను యానోడ్‌గా భర్తీ చేయడానికి లిథియం మెటల్‌ను ప్రవేశపెట్టడం అత్యంత ప్రచారంలో ఉంది.స్వచ్ఛమైన లిథియం మెటల్ సాధ్యమైనంత ఎక్కువ శక్తి సాంద్రతను కలిగి ఉంటుంది మరియు అందుచేత తక్కువ స్థలం అవసరం.అయినప్పటికీ, లిథియం మెటల్ యొక్క కోలుకోలేని ప్రతిచర్య (అందువలన వినియోగం), డెండ్రైట్ ఏర్పడటం, పోరస్ గ్రాఫైట్ (సిలికాన్) ఎలక్ట్రోడ్‌లతో పోలిస్తే ప్లానార్ లిథియం రేకులకు ప్రభావవంతమైన కరెంట్ సాంద్రత పెరుగుదల మరియు చివరిది వంటి అనేక సమస్యలను ఇంకా పరిష్కరించాల్సి ఉంది. కానీ కనీసం, ఉత్సర్గ సమయంలో లిథియం యొక్క "అదృశ్యం" (డిప్లేటింగ్) మరియు తద్వారా ఘన ఎలక్ట్రోలైట్‌తో సంబంధం కోల్పోవడం.సిరామిక్ సాలిడ్ ఎలక్ట్రోలైట్స్ యొక్క యాంత్రికంగా దృఢమైన స్వభావం నిజానికి సున్నా సమ్మతిని కలిగి ఉంటుంది మరియు ఘన ఎలక్ట్రోలైట్ కాంపోనెంట్‌కు వ్యతిరేకంగా లిథియంను గట్టిగా నొక్కడానికి తీవ్ర ఒత్తిడిని వర్తింపజేయాలి.వివిక్త పీడన బిందువులు ప్రభావవంతమైన ఉపరితల వైశాల్యాన్ని మరింత తగ్గిస్తాయి, ఇది స్థానిక డెండ్రైట్ ఏర్పడటానికి మరియు స్పాంజి నిక్షేపాలకు దారితీస్తుంది.పాలిమర్ ఎలక్ట్రోలైట్‌లు మరింత యాంత్రికంగా అనుగుణంగా ఉంటాయి కానీ గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద ఇంకా తగినంత అయానిక్ వాహకతను ప్రదర్శించలేదు.ఈ విషయంలో చాలా ఆసక్తికరమైన కొత్త పదార్థాలు సిలికా జెల్ ఎలక్ట్రోలైట్‌లు, వీటిని "అయానోజెల్స్" అని కూడా పిలుస్తారు, ఇక్కడ అయానిక్ లిక్విడ్ ఎలక్ట్రోలైట్ (ILE) నానోపోరస్ సిలికా మ్యాట్రిక్స్ (1)లో పరిమితం చేయబడింది.సిలికా మ్యాట్రిక్స్ (70 నుండి 90%) యొక్క అత్యంత అధిక సచ్ఛిద్రత ఈ నానోకంపొజిట్ ఎలక్ట్రోలైట్ పదార్థాలకు జెల్-వంటి అనుగుణ్యతను ఇస్తుంది మరియు తద్వారా వాటిని పాలిమర్ ఎలక్ట్రోలైట్‌ల మాదిరిగానే యాంత్రికంగా అనుగుణంగా చేస్తుంది.ఈ సిలికా జెల్లు కొన్నిసార్లు హైబ్రిడ్ ఘన ఎలక్ట్రోలైట్‌లుగా సూచించబడతాయి, ఎందుకంటే అవి ద్రవాన్ని కలిగి ఉంటాయి.అయితే, సిలికా నానోకంపొసైట్‌ల కోసం, ఈ పేపర్‌లో వివరించినట్లుగా, అయానిక్ “లిక్విడ్” ఎలక్ట్రోలైట్ పదిల కొద్దీ నానోమీటర్-పరిమాణ ఛానెల్‌లలో పరిమితం చేయబడినప్పుడు స్నిగ్ధత పెరుగుదల మరియు సిలికా గోడపై శోషణం ద్వారా ఘన-లాగా మారుతుంది. ఛానెల్.సిలికా మాతృక కేవలం పోరస్ సెపరేటర్‌గా పనిచేస్తే, పరిమిత ద్రవ ఎలక్ట్రోలైట్ కోసం స్నిగ్ధత పెరుగుదల అయానిక్ వాహకతలో తగ్గుదలకు దారి తీస్తుంది.బదులుగా, ILE అణువులు మరియు సిలికా రంధ్ర గోడ మధ్య పరస్పర చర్య నానోకంపొజిట్ యొక్క లక్షణాలను దాని వ్యక్తిగత భాగాల మొత్తానికి భిన్నంగా చేస్తుంది.అటామిక్ ఫోర్స్ మైక్రోస్కోపీ (2)తో ప్లానార్ ఉపరితలాలపై కొన్ని నానోమీటర్ల మందం వరకు ఘన మెసోఫేస్ పొరల ఏర్పాటుతో ఆక్సైడ్‌లపై అయానిక్ ద్రవాల అధిశోషణం చూపబడింది.ఆక్సైడ్ ఉపరితలాలపై అయానిక్ లిక్విడ్ అయాన్లు మరియు కాటయాన్‌ల ఎంపిక శోషణం ఈ ఇంటర్‌ఫేస్‌లతో పాటు మెరుగైన Li+ వాహకతకు దారి తీస్తుంది.వాస్తవానికి, ఆక్సైడ్ ఇంటర్‌ఫేస్‌లతో పాటు మెరుగుదల అనేది రంధ్రాల యొక్క కోర్‌లో పరిమితం చేయబడిన ILE ద్వారా తగ్గిన వాహకతను భర్తీ చేయాలి లేదా మించిపోతుంది.అందువల్ల, చిన్న రంధ్రాల పరిమాణం మరియు అధిక ఉపరితలం నుండి వాల్యూమ్ నిష్పత్తులు కావాలి.ఇప్పటివరకు, ILE యొక్క అయాన్ వాహకతతో అయానోజెల్స్ మెసోపోరస్ నిర్మాణం యొక్క ఆప్టిమైజేషన్ ద్వారా ప్రదర్శించబడ్డాయి (3).దీనర్థం ఇంటర్‌ఫేస్ మెరుగుదల ఇప్పటికే ఉంది కానీ బల్క్ కండక్టివిటీని మించిన మేరకు కాదు.

అయానోజెల్స్ తయారీ సజాతీయ ద్రవ మిశ్రమం నుండి ప్రారంభమవుతుంది, దీనిలో ఆక్సైడ్ మాతృక (4, 5) సంశ్లేషణ కోసం సోల్-జెల్ పూర్వగామి ద్రావణానికి ILE జోడించబడుతుంది.ఈ పద్ధతిలో, ILE మరియు మాత్రికలు "ఇన్ సిటు" పద్ధతిలో ఒక మిశ్రమాన్ని ఏర్పరుస్తాయి: ద్రావణంలోని పూర్వగాములు అయానిక్ లిక్విడ్ టెంప్లేట్ చుట్టూ ఒక ఆక్సైడ్ మాతృకను ఏర్పరుస్తాయి, ప్రక్రియలో దానిని కప్పి ఉంచుతాయి.కొన్ని సంశ్లేషణ పరిస్థితులలో, తయారు చేయబడిన ILE-SCE (ఘన మిశ్రమ ఎలక్ట్రోలైట్) నిరంతర మెసోపోరస్ అకర్బన ఆక్సైడ్ నెట్‌వర్క్‌లో పొందుపరచబడిన ILEతో ఏకశిలా రూపంలో ఉంటుంది.ఇప్పటివరకు, ఎక్కువగా సిలికా-ఆధారిత ILE-SCEలు ఈ విధంగా తయారు చేయబడ్డాయి, అయినప్పటికీ ఉదాహరణలు అల్యూమినా (6), టైటానియా (7), మరియు టిన్ ఆక్సైడ్ (8)తో కూడా తయారు చేయబడ్డాయి.చాలా నివేదించబడిన సోల్-జెల్ సూత్రీకరణలు ILE, టెట్రాఇథైల్ ఆర్థోసిలికేట్ (TEOS) వంటి ఆల్కైల్-సిలికేట్‌ను సిలికా పూర్వగామిగా మరియు ఫార్మిక్ ఆమ్లాన్ని రియాజెంట్ మరియు ద్రావకం (9, 10) కలిగి ఉంటాయి.ఈ సోల్-జెల్ ప్రక్రియ కోసం ప్రతిపాదిత మెకానిజం (11) ప్రకారం, సిలికా ప్రధానంగా TEOS మరియు ఫార్మిక్ యాసిడ్ మధ్య ప్రతిచర్య ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడుతుంది, అయినప్పటికీ సోల్-జెల్ ప్రక్రియలో నీరు ఉత్పత్తి అవుతుంది.ఈ ఫార్మిక్ యాసిడ్-ఆధారిత "నాన్క్యూయస్" మిశ్రమాలతో పాటు, హెచ్‌సిఎల్‌తో ఉత్ప్రేరకంగా మరియు రియాజెంట్‌గా (ప్లస్ ఆర్గానిక్ ద్రావకం) H2Oతో సజల సోల్-జెల్ సూత్రీకరణలు కూడా వివరించబడ్డాయి, అయితే, ఈ ప్రత్యేక సందర్భంలో సిలికా మిశ్రమాన్ని సంశ్లేషణ చేయడం కోసం అయానిక్ ద్రవం మాత్రమే (12-15).

సాధారణంగా, అయానోజెల్స్ ILE సూచన కంటే తక్కువ అయాన్ వాహకతను చూపుతాయి.మొదటి తరం అయానోజెల్స్‌లో గది ఉష్ణోగ్రత వాహకత సాధారణంగా బల్క్ ILE విలువలో 30 నుండి 50% మాత్రమే ఉంటుంది, అయితే కొన్ని ఉదాహరణలు 80% వరకు చేరినట్లు నివేదించబడ్డాయి (9, 10, 16, 17).ILE కంటెంట్ యొక్క ప్రభావం మరియు అయానోజెల్ వాహకతపై ఏర్పడిన రంధ్ర స్వరూపం ఇప్పటికే వివరంగా పరిశోధించబడింది (3);అయినప్పటికీ, ఇంటర్‌ఫేస్ మెరుగుదల ప్రభావాలపై క్రమబద్ధమైన అధ్యయనం తెలియదు.వూ మరియు ఇతరులు.(18) ఇటీవల ఇన్ సిటు ఫంక్షనలైజ్డ్ అయానోజెల్‌పై నివేదించబడింది, ఇది బల్క్ ILEతో పోలిస్తే వాహకత మెరుగుదలని కూడా ఇచ్చింది.సిలికా ఉపరితలంపై అయాన్ మరియు 3-గ్లైసిడైలోక్సిప్రోపైల్ ఫంక్షనల్ గ్రూప్ మధ్య పరస్పర చర్యకు మెరుగుదల ఆపాదించబడింది.ఈ అన్వేషణ ఉపరితల ఫంక్షనలైజేషన్ నిజానికి ఇంటర్‌ఫేస్ కండక్షన్ ప్రమోషన్‌ను మెరుగుపరుస్తుంది అనే ఆలోచనకు మద్దతు ఇస్తుంది.

ఈ పనిలో, మేము సిలికాపై ఘన మంచు నీటి పొర యొక్క సిటు ఏర్పాటును ప్రదర్శిస్తాము మరియు ఉపరితల మంచు ఫంక్షనల్ లేయర్ మరియు యాడ్సోర్బ్డ్ అయానిక్ లిక్విడ్ మెసోఫేస్ లేయర్ మధ్య పెరిగిన ద్విధ్రువ పరస్పర చర్య ద్వారా ఇంటర్‌ఫేషియల్ లి-అయాన్ ప్రసరణ యంత్రాంగాన్ని వివరంగా తెలియజేస్తాము.అధిక అంతర్గత ఉపరితల వైశాల్యం మరియు దట్టమైన మంచు ఫంక్షనల్ పొర కలయిక ద్వారా, బల్క్ ILE సూచన కంటే 200% అధిక Li-ion వాహకతతో ఘన నానోకంపొజిట్ ఎలక్ట్రోలైట్‌లు (నానో-SCE) సాధించబడ్డాయి.సిలికా మ్యాట్రిక్స్ 90% మరియు 1400 m2/g వరకు పోర్ వాల్యూమ్‌లు మరియు ఉపరితల వైశాల్యాలతో నిజమైన ఏకశిలా మెసోపోరస్ నిర్మాణాన్ని కలిగి ఉన్నట్లు చూపబడింది, తద్వారా ఈ ఇంటర్‌ఫేస్‌ల వెంట వాహకత మెరుగుదల యొక్క పెద్ద సహకారాన్ని అనుమతించే విపరీతమైన ఉపరితల-నుండి-వాల్యూమ్ నిష్పత్తులను అందిస్తుంది.సిలికా ఉపరితలం యొక్క ఆప్టిమైజ్ చేసిన ఫంక్షనలైజేషన్‌తో పాటు ఉపరితలం నుండి వాల్యూమ్ నిష్పత్తిని పెంచడం ద్వారా, 10 mS/cm కంటే ఎక్కువ అయాన్ వాహకతతో నానో-SCE ఇంజినీరింగ్ చేయగలదు మరియు తద్వారా ఆటోమోటివ్ అప్లికేషన్‌ల కోసం పెద్ద-సామర్థ్య బ్యాటరీలకు చాలా ఆకర్షణీయంగా ఉంటుంది.

రామన్, ఫోరియర్ ట్రాన్స్‌ఫార్మ్ ఇన్‌ఫ్రారెడ్ (FTIR) మరియు న్యూక్లియర్ మాగ్నెటిక్ రెసొనెన్స్ (NMR) స్పెక్ట్రోస్కోపీ నుండి సాక్ష్యాధారాలతో మెసోఫేస్ పొరను ఏర్పాటు చేయడం ద్వారా మెరుగైన ఇంటర్‌ఫేస్ వాహకత యొక్క మెకానిజంపై మా పేపర్ దృష్టి ఉంది.అధిక వోల్టేజీల వద్ద మా నానో-SCE పదార్థం యొక్క ఇంటర్‌ఫేస్ స్థిరత్వం సన్నని-ఫిల్మ్ లిథియం మాంగనీస్ ఆక్సైడ్ (LMO) ఎలక్ట్రోడ్‌లను ఉపయోగించి ప్రదర్శించబడుతుంది.ఈ విధంగా, ఎలక్ట్రోడ్ ఇంటిగ్రేషన్ మరియు సెల్ అసెంబ్లీ సమస్యలపై కాకుండా మెటీరియల్‌పై దృష్టి కేంద్రీకరిస్తుంది.అదేవిధంగా, ఎలెక్ట్రోకెమికల్ విండో మరియు లిథియం మెటల్ రేకులకు వ్యతిరేకంగా స్థిరత్వం పూర్తిగా వర్గీకరించబడతాయి.లిథియం ఐరన్ ఫాస్ఫేట్ (LFP) మరియు లిథియం టైటనేట్ (LTO) కణాల అసెంబ్లీ మరియు రేట్ పనితీరు పరీక్షల ద్వారా మా నానో-SCE యొక్క కార్యాచరణ మరియు ఏకీకరణ ప్రదర్శించబడుతుంది.మా ఎలక్ట్రోలైట్ యొక్క స్థిరత్వం మరియు మంచు నీటి యొక్క ఎలెక్ట్రోకెమికల్ నిష్క్రియాత్మకత సుష్ట Li-SCE-Li కణాల దీర్ఘకాలిక సైక్లింగ్ ద్వారా చూపబడ్డాయి.శక్తి సాంద్రత యొక్క ఆప్టిమైజేషన్, రేటు పనితీరు మరియు పూర్తిగా సమీకరించబడిన కణాల సైక్లింగ్ పనితీరు ఫాలో-అప్ పేపర్‌ల యొక్క ఫోకస్ (19, 20).

రెండు-దశల మిశ్రమ వ్యవస్థలలో ఇంటర్‌ఫేషియల్ అయాన్ కండక్టివిటీ ప్రమోషన్ దాదాపు 90 సంవత్సరాలుగా తెలుసు (21).ఉదాహరణకు, స్వచ్ఛమైన లిథియం సాల్ట్ ఎలక్ట్రోలైట్ (22) యొక్క అయాన్ వాహకతతో పోలిస్తే సిలికా లేదా అల్యూమినా వంటి మెసోపోరస్ ఆక్సైడ్ కణాలతో లిథియం అయోడైడ్ వంటి సాధారణ లిథియం ఉప్పు మిశ్రమాలకు అయానిక్ వాహకతలో నాలుగు ఆర్డర్‌ల వరకు పెరుగుదల చూపబడింది.ఈ SCEలలోని అయాన్లు ఆక్సైడ్/ఎలక్ట్రోలైట్ ఇంటర్‌ఫేస్‌లో ఏర్పడిన లి అయాన్-క్షీణించిన (లేదా ఖాళీలు అధికంగా ఉండే) ఎలక్ట్రికల్ డబుల్ లేయర్‌తో పాటు చాలా వేగంగా వ్యాపించగలవు.దురదృష్టవశాత్తూ, ఈ సాధారణ రెండు-భాగాల అకర్బన ఘన-ఘన మిశ్రమాలలో (1) పొందిన అయాన్ వాహకత Li-ion బ్యాటరీలోని ప్రస్తుత కలెక్టర్ ప్లేట్ల మధ్య కొన్ని వందల-మైక్రోమీటర్ల దూరాన్ని తగ్గించడానికి అవసరమైన 1-mS/cm2 థ్రెషోల్డ్‌ను మించలేదు. .అయానిక్ కండక్టివిటీని ఇంజనీర్ చేయడానికి ఆక్సైడ్ మాతృకతో హెటెరోజెనియస్ డోపింగ్ భావన కూడా పాలిమర్ ఎలక్ట్రోలైట్స్ (23) మరియు ILE లు (24) కోసం అన్వేషించబడింది, ఇవి ప్రారంభించడానికి అధిక అంతర్గత అయానిక్ కండక్టివిటీని కలిగి ఉంటాయి.అదనంగా, మూడవ భాగం యొక్క రిచ్ మాలిక్యులర్ (స్టీరియో) కెమిస్ట్రీ అదనపు అయాన్ వాహక విధానాలను తెరుస్తుంది, ఎందుకంటే (డి) ధ్రువ ద్రావకం-వంటి అణువులు ఎలక్ట్రికల్ డబుల్ లేయర్ ఏర్పడటంలో పాల్గొనవచ్చు.పాలిథిలిన్ ఆక్సైడ్ పాలిమర్ ఎలక్ట్రోలైట్‌లలోని ఈథర్ సమూహాల యొక్క సాల్వేటింగ్ చర్య LiClO4 కోసం ~10−6 S/cm నుండి LiN(SO2CF3)2 కోసం ~10−5 S/cm వరకు ఘన-స్థితి అయాన్ వాహకతలను అందిస్తుంది, సిలికా, అల్యూమినాతో వాటి మిశ్రమాలు , లేదా టైటానియా నానోపార్టికల్స్ నిజానికి కొలిచిన అయాన్ వాహకత (25)లో 10 రెట్లు ఎక్కువ మెరుగుదలని అందించగలవు, దురదృష్టవశాత్తూ, ఇప్పటికీ గది ఉష్ణోగ్రత 1 mS/సెం.మీ కంటే చాలా తక్కువ.ILE సొల్యూషన్‌లు లి-ఉప్పు ద్రావకం మరియు అయానిక్ ద్రవ ద్రావకం యొక్క మిశ్రమాలు, ఇవి ఇప్పటికే 0.1 మరియు 10 mS/cm (26, 27) మధ్య అధిక అంతర్గత అయానిక్ వాహకతలను కలిగి ఉంటాయి.అయాన్ కండక్టివిటీని ఆక్సైడ్ నానోపార్టికల్స్‌తో కలపడం లేదా జెల్ చేయడం లేదా మెసోపోరస్ మైక్రోపార్టికల్స్‌లో (9, 16, 28, 29) పరిమితం చేయడం ద్వారా దాన్ని మెరుగుపరచడానికి అనేక ప్రయత్నాలు జరిగాయి.అయినప్పటికీ, ఇప్పటివరకు, మూడు-భాగాల లి-ఉప్పు/అయానిక్ లిక్విడ్/ఆక్సైడ్ మిశ్రమాలకు (అత్తి. S1) అయాన్ వాహకత యొక్క మెరుగుదల ఏదీ గమనించబడలేదు.ఘన నానోపార్టికల్స్‌తో కూడిన మిశ్రమాలతో పోలిస్తే మెసోపోరస్ సిలికా మైక్రోపార్టికల్స్‌ని ఉపయోగించడం వలన అధిక వాహకత ఏర్పడినప్పటికీ, ఇంటర్‌ఫేషియల్ ఉపరితల వైశాల్యం మరియు అయాన్ ప్రసరణ ప్రమోషన్ బల్క్ ILE వాహకతను అధిగమించడానికి సరిపోవు.

మెసోపోరస్ సిలికా అనేది ఉత్ప్రేరకంలో ఉపయోగించే ఒక ప్రసిద్ధ పదార్థం.ఇది సాధారణంగా హైడ్రోథర్మల్ లేదా సాధారణ సోల్-జెల్ సంశ్లేషణ ద్వారా తయారు చేయబడుతుంది.హైడ్రోథర్మల్ ప్రక్రియలు సాధారణంగా మెసోపోరస్ పౌడర్‌లకు దారితీస్తాయి, అయితే గది ఉష్ణోగ్రత సోల్-జెల్ ప్రక్రియపై జాగ్రత్తగా నియంత్రణతో, పెద్ద పోరస్ గాజు ఏకశిలాలు లేదా ఏరోజెల్‌లు కూడా ఉత్పత్తి చేయబడ్డాయి.టెట్రా-ఆల్కైల్ ఆర్థోసిలికేట్స్ (30) యొక్క జలవిశ్లేషణ మరియు సంక్షేపణ ప్రతిచర్యల ద్వారా సిలికా మాతృక ఏర్పడుతుంది.రంధ్ర నిర్మాణాన్ని నియంత్రించడంలో కీలకం టెంప్లేట్‌ల ఉపయోగం, ఉదాహరణకు, సర్ఫ్యాక్టెంట్-రకం మైకెల్, దాని చుట్టూ సిలికా మ్యాట్రిక్స్ ఏర్పడుతుంది.అయానిక్ ద్రవాన్ని టెంప్లేటింగ్ అణువుగా జోడించినప్పుడు, హైడ్రేటెడ్ సిలికా మాతృక అయానిక్ ద్రవంతో సంకర్షణ చెందుతుంది, ఒక జెల్‌ను ఏర్పరుస్తుంది మరియు క్యూరింగ్ మరియు ఎండబెట్టడం తర్వాత, అయానిక్ ద్రవం ఘన నానోపోరస్ సిలికా మ్యాట్రిక్స్ (13) లోపల పరిమితం చేయబడుతుంది.లిథియం ఉప్పును మూడవ భాగం వలె జోడించినప్పుడు, సిలికా మ్యాట్రిక్స్‌లో పరిమితమైన ILE సిలికా జెల్ ఎలక్ట్రోలైట్‌ను ఏర్పరుస్తుంది, దీనిని అయానోజెల్ (24)గా కూడా సూచిస్తారు.అయినప్పటికీ, ఇప్పటివరకు, ఈ సిలికా జెల్ ఎలక్ట్రోలైట్‌లు వాహకతలను బల్క్ ILEకి చేరుకుంటున్నట్లు చూపుతాయి, అయితే సిలికా రసాయనికంగా పనిచేసిన ఒక సందర్భం మినహా (పరిచయం చూడండి) (18).

ఇక్కడ, స్వచ్ఛమైన ILE కంటే నానోకంపొజిట్ యొక్క Li-ion వాహకత యొక్క క్రమబద్ధమైన ప్రమోషన్‌ను మేము చూపుతాము.1-బ్యూటైల్-1-మిథైల్పైరోలిడినియం బిస్(ట్రిఫ్లోరోమీథైల్సల్ఫోనిల్)ఇమైడ్ (BMP-TFSI) యొక్క ఉదాహరణ ఇక్కడ ఉపయోగించబడింది.OH-ముగించిన సిలికా ఉపరితలంపై అయానిక్ ద్రవ అణువుల శోషణం ఇంటర్‌ఫేషియల్ మంచు నీటి పొర ఉండటం ద్వారా ప్రోత్సహించబడుతుందని ప్రతిపాదించబడింది.మంచు నీరు మరియు TFSI− అయాన్ మధ్య బలమైన హైడ్రోజన్ బంధం అయానిక్ ద్రవం యొక్క పరమాణు క్రమాన్ని ప్రేరేపిస్తుంది, అయానిక్ ద్రవాలలో ఆకస్మికంగా ఏర్పడే ఆర్డర్ డొమైన్‌ల మాదిరిగానే (31).బల్క్ ILEలో యాదృచ్ఛికంగా ఏర్పడిన డొమైన్‌లతో ఉన్న ప్రధాన వ్యత్యాసం ఏమిటంటే, మంచు పొర క్రియాత్మక పొరగా పనిచేస్తుంది, ఇది (i) ఆక్సైడ్ ఉపరితలంపై పరమాణు క్రమాన్ని ప్రేరేపిస్తుంది మరియు (ii) ఉచిత Li+ని విడుదల చేయడానికి ద్విధ్రువాలను ప్రేరేపించడానికి తగినంత బలమైన H-బంధాన్ని పరిచయం చేస్తుంది. మెరుగైన ప్రసరణ కోసం.ఉచిత Li+ ఏకాగ్రత పెరుగుదల తర్వాత, శోషించబడిన ILE పొర మరియు మంచు నీటి పొరతో కూడిన మిశ్రమ ఇంటర్‌ఫేస్‌తో పాటు వ్యాప్తికి క్రియాశీలత శక్తి తక్కువగా ఉందని మేము చూపుతాము.

సిలికాపై ఉన్న కొన్ని-మోనోలేయర్‌లు-మందపాటి ఉపరితల నీటి పొర ఘన-వంటి పొర, ఇది H-బ్రిడ్జ్‌ల ద్వారా సిలనోల్ సమూహాలతో బలంగా బంధించబడి ఉంటుంది కాబట్టి దీనిని మంచు పొరగా కూడా సూచిస్తారు (32).దీని సాంద్రత మరియు మందం (మూడు నుండి నాలుగు మోనోలేయర్‌ల వరకు అంచనా వేయబడింది, ప్రతి మంచు ఏక పొరకి ~0.25 nm ఉంటుంది) వాతావరణంలో పాక్షిక నీటి పీడనంతో [సాపేక్ష ఆర్ద్రత (RH)] ఉష్ణగతిక సమతుల్యతలో ఉంటుంది (అంజీర్. S2).శోషించబడిన అయానిక్ పొరలతో హైడ్రోజన్ బంధం కూడా పెరగడంతో మంచు నీటి పొర మందంతో అయాన్ వాహకత పెరుగుతుందని మేము చూపిస్తాము.రసాయన సమ్మేళనాలలోని స్ఫటిక నీటి మాదిరిగానే మంచు నీటి పొర స్థిరంగా ఉంటుంది.ఇది సూపర్ సాంద్రీకృత సజల ఎలక్ట్రోలైట్‌లు లేదా ఉప్పు మిశ్రమాలలో నీరు అని పిలవబడే వాటికి పూర్తి విరుద్ధంగా ఉంది, ఇక్కడ ఎలెక్ట్రోకెమికల్ విండో తీవ్రంగా విస్తరించబడుతుంది, అయితే, చివరికి, నీరు ఇప్పటికీ ఎలక్ట్రోకెమికల్‌గా చురుకుగా ఉంటుంది (33).

విలక్షణమైన ఫార్మిక్ యాసిడ్-ఉత్ప్రేరక అయానోజెల్ వంటకాల నుండి భిన్నంగా, మేము ఎక్కువ నీరు మరియు PGME (1-మెథాక్సీ-2-ప్రొపనాల్)తో తేలికపాటి pH 5 మిశ్రమాన్ని ఉపయోగించాము మరియు Li-TFSI ఉప్పు మరియు BMP-TFSI అయానిక్ లిక్విడ్‌తో TEOS పూర్వగామికి జోడించబడింది.ఈ pH వద్ద, జలవిశ్లేషణ ప్రతిచర్యలు నెమ్మదిగా ఉంటాయి, అయితే సంక్షేపణం అనుకూలంగా ఉంటుంది (30).Li అయాన్లు జలవిశ్లేషణ ప్రతిచర్యకు ఉత్ప్రేరకం వలె పనిచేస్తాయని నమ్ముతారు, ఎందుకంటే లిథియం ఉప్పు లేనప్పుడు ఎటువంటి జిలేషన్ జరగలేదు, రెండూ ఒకే pH 5 కలిగి ఉంటాయి. TEOSకు అయానిక్ ద్రవం యొక్క మోలార్ నిష్పత్తి (మరియు సిలికా కదలికలు) x విలువగా సూచించబడింది మరియు 0.25 మరియు 2 మధ్య మారుతూ ఉంటుంది. BMP-TFSI నుండి Li-TFSI మోలార్ నిష్పత్తి 3 వద్ద ఉంచబడింది (1 M Li-ion సొల్యూషన్‌కు అనుగుణంగా).ఏకశిలా నిర్మాణం యొక్క నిర్మాణ సమగ్రతను నిర్వహించడానికి నెమ్మదిగా ఎండబెట్టడం అవసరం (పదార్థాలు మరియు పద్ధతులు చూడండి).మూర్తి 1A వాక్యూమ్ ఎండబెట్టడం తర్వాత పొందిన ఏకశిలా గుళిక యొక్క ఛాయాచిత్రాన్ని చూపుతుంది.ఎఫ్‌టిఐఆర్ ధృవీకరించినట్లుగా, శోషించబడిన మంచు నీటి పొర పూర్తిగా చెక్కుచెదరకుండా ఉండగా, అన్ని ఉచిత నీటిని తొలగించే స్థాయికి తేమ మొత్తాన్ని తొలగించడానికి 72-గంటల వాక్యూమ్ డ్రైయింగ్ సరిపోతుంది.వాక్యూమ్ ఎండబెట్టడం దశ (Fig. 2) తర్వాత ఏదైనా నమూనాలో 1635 cm−1 వద్ద ఉచిత నీటి కోసం కంపనాలు కనుగొనబడలేదు.పోలిక కోసం, 60% RH వద్ద N2 గ్లోవ్ బాక్స్‌లో 1 వారం నిల్వ చేయబడిన నానో-SCE నమూనా (x = 1.5) కోసం FTIR స్పెక్ట్రమ్ చూపబడింది.ఈ సందర్భంలో, స్పష్టమైన ఉచిత నీటి శిఖరం కనిపిస్తుంది.మరోవైపు, అన్ని నమూనాలు, సిలానాల్ ఉపరితల కార్యాచరణ (Si─OH 950 మరియు 980 cm−1 మధ్య వంగడం) మరియు ఒక శోషించబడిన మంచు నీటి పొర (O─H ~3540 cm−1 వద్ద సాగడం) కోసం స్పష్టమైన సంకేతాన్ని చూపించాయి. H-బంధం ద్వారా ─OH ఉపరితల సమూహాలు (క్రింద మరిన్ని వివరాలు).నానో-ఎస్‌సిఇ (టేబుల్ ఎస్ 1)లో నిలుపుకున్న నీటిని కొలవడానికి ఎండబెట్టడం దశకు ముందు మరియు తరువాత సీసాలు వెయిట్ చేయబడ్డాయి.తరువాత, అదనపు బరువు నుండి ఉపరితల-బౌండ్ మంచు పొరల యొక్క సంబంధిత మోనోలేయర్‌ల సంఖ్యను మేము లెక్కిస్తాము.వాక్యూమ్-ఎండిన గుళికలు గ్లోవ్ బాక్స్‌లోకి [<0.1-ppm (పార్ట్స్ పర్ మిలియన్) H2O]లోకి తీసుకురాబడ్డాయి మరియు అసలు నీటి కంటెంట్‌ను నిర్వహించడానికి మూసి ఉన్న కుండలలో నిల్వ చేయబడ్డాయి.తదుపరి క్యారెక్టరైజేషన్ కోసం గుళిక నుండి చిన్న వాల్యూమ్ తీసుకోబడింది.

(A) సీసాలో సంశ్లేషణ చేయబడిన రెండు నానో-SCE గుళికల (ఎడమ) చిత్రం;జిలేషన్ తర్వాత, ఒక పారదర్శక గుళిక పొందబడుతుంది.గుళికలు పూర్తిగా పారదర్శకంగా ఉన్నాయని గమనించండి మరియు దృశ్యమానత కోసం నీలం రంగు ఇవ్వబడింది.ILE తొలగించబడినప్పుడు, అధిక పోరస్ సిలికా మ్యాట్రిక్స్ (కుడివైపు) కోసం పెళుసుగా ఉండే తెల్లని గుళిక మిగిలి ఉంటుంది.(B) ILE తీసివేసిన తర్వాత మిగిలి ఉన్న SiO2 మాతృక యొక్క ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోపీ (SEM) చిత్రాన్ని స్కానింగ్ చేయడం.(C) కొన్ని స్థూల రంధ్రాలతో మాతృక పదార్థం యొక్క మెసోపోరస్ స్వభావాన్ని వర్ణిస్తూ (B)లో చూపిన చిత్రాన్ని జూమ్ చేయండి.(D) ట్రాన్స్‌మిషన్ ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోపీ (TEM) చిత్రం పోరస్ మాతృక పదార్థం యొక్క బిల్డింగ్ బ్లాక్‌లుగా 7- నుండి 10-nm సిలికా నానోపార్టికల్స్ యొక్క దట్టమైన ప్యాకింగ్‌ను చూపుతుంది.(E) SiO2 (x విలువ)కి సంబంధించి ILE యొక్క వివిధ మోలార్ నిష్పత్తుల కోసం రూపొందించబడిన మాతృక నిర్మాణం యొక్క సచ్ఛిద్రత.గీతల రేఖ ILE మరియు సిలికా యొక్క వాల్యూమ్ భిన్నం నుండి నిర్ణయించబడిన సైద్ధాంతిక సచ్ఛిద్రతను ఇస్తుంది.అసిటోన్-కడిగి నమూనాలు (నలుపు చతురస్రాలు) గాలిలో ఎండబెట్టబడ్డాయి, ఇది x > 0.5 కోసం నిర్మాణం యొక్క పాక్షిక పతనాన్ని ఇస్తుంది.ఇథనాల్-రిన్స్డ్ నానో-SCE (గ్రీన్ సర్కిల్‌లు) యొక్క సూపర్‌క్రిటికల్ CO2 ఎండబెట్టడం CO2 (ఓపెన్ సర్కిల్) యొక్క అదనపు నెమ్మదిగా తొలగింపు కోసం x = 2 వరకు కుప్పకూలడాన్ని నిరోధిస్తుంది.BET, బ్రూనౌర్-ఎమ్మెట్-టెల్లర్.ఫోటో క్రెడిట్: ఫ్రెడ్ లూసెన్, imec;అకిహికో సాగర, పానాసోనిక్.

(A) నానో-SCE యొక్క IR స్పెక్ట్రాను వాక్యూమ్ (నలుపు)లో ఎండబెట్టి, తదనంతరం 9 రోజులు (నీలం) 0.0005% RHతో గ్లోవ్ బాక్స్‌లో ఎండబెట్టి, 30% RHకి 4 రోజులు (ఎరుపు) మరియు 60 వరకు బహిర్గతం చేయబడుతుంది. వరుసగా 8 రోజులు (ఆకుపచ్చ) % RH.au, ఏకపక్ష యూనిట్లు.(B) 1.0 (నీలం), 1.5 (ఆకుపచ్చ), మరియు 2.0 (ఎరుపు) మరియు ILE సూచన (నలుపు) యొక్క x విలువలతో Li/SCE/TiN స్టాక్ యొక్క సైక్లిక్ వోల్టామోగ్రామ్‌లు;ఇన్సెట్ లాగరిథమిక్ స్కేల్‌లో కరెంట్‌ని చూపుతుంది.(C) Li/SCE (x = 2)/40-nm TiO2 స్టాక్ (ఎరుపు), ILE (చుక్కల నలుపు) మరియు ILE యొక్క చక్రీయ వోల్టామోగ్రామ్‌లు 5 బరువు % (wt %) H2O (డాష్-చుక్కల నీలిరంగు గీత)తో స్పైక్ చేయబడ్డాయి;(B) మరియు (C)లో, H2Oతో ILE మరియు ILEతో కొలతలు మూడు-ఎలక్ట్రోడ్ కాన్ఫిగరేషన్‌లో TiNతో పని చేసే ఎలక్ట్రోడ్‌గా మరియు Li కౌంటర్ మరియు రిఫరెన్స్ ఎలక్ట్రోడ్‌లుగా చేయబడ్డాయి.వాక్యూమ్ ఎండబెట్టడం తర్వాత SCE గ్లోవ్ బాక్స్‌లో 2 రోజులు ఎండబెట్టబడింది.

మా వాక్యూమ్-ఎనియల్డ్ నానో-SCE యొక్క అయానిక్ కండక్టివిటీ (σi) కణ మిశ్రమాల (Fig. S1) కోసం ILE (x విలువ) యొక్క వాల్యూమ్ భిన్నంతో పెరిగింది.అయితే, ఈ సందర్భంలో, అయానిక్ వాహకత స్వచ్ఛమైన ILE కంటే అత్యధిక x విలువలకు 200% కంటే ఎక్కువగా ఉంది (Fig. 3).ఇంకా, మెరుగైన అయాన్ వాహకతతో నానో-SCE యొక్క ఉష్ణోగ్రత ఆధారపడటం స్వచ్ఛమైన ILE కంటే భిన్నమైన ప్రవర్తనను చూపించింది: అయితే BMP-TFSI ILEలోని Li-TFSI ద్రవీభవన చుట్టూ వాహకత మరియు క్రియాశీలత శక్తి (వాలు)లో స్పష్టమైన మార్పును చూపుతుంది. 29°C వద్ద మిశ్రమం యొక్క పాయింట్, మెరుగైన వాహకతతో నానో-SCE లేదు.బదులుగా, ఇది ఉష్ణోగ్రతతో σiలో నిరంతర వైవిధ్యాన్ని చూపుతుంది, ఇది గతంలో గుర్తించబడని దశ లేదా మెసోఫేస్ ఏర్పడిందని సూచిస్తుంది, ఇది మెరుగైన వాహకతకు బాధ్యత వహిస్తుంది.అంతేకాకుండా, ILEతో పోలిస్తే నానో-SCE కోసం వ్యాపనం కోసం చిన్న వాలు మరియు తక్కువ క్రియాశీలత శక్తి వివిధ పదార్థ లక్షణాలను సూచిస్తాయి (అత్తి. S3).అయానిక్ ద్రవ అణువులు మరియు సిలికా పరంజాపై ఉన్న ఘన మంచు పొర మధ్య బలమైన పరస్పర చర్య గమనించిన మెసోఫేస్ ప్రవర్తనకు కారణమని ప్రతిపాదించబడింది, ఇది దిగువ ప్రతిపాదిత నమూనాతో చర్చించబడుతుంది.

(A) 2 (నలుపు చతురస్రాలు), 1.75 (నారింజ వృత్తాలు), 1.5 (నీలం త్రిభుజాలు) మరియు 1.0 (ఆకుపచ్చ త్రిభుజాలు) x విలువలతో గ్లోవ్ బాక్స్ (GB)లో 8 రోజుల పాటు ఎండబెట్టిన నానో-SCEల యొక్క వాహకత యొక్క ఉష్ణోగ్రత ఆధారపడటం ) మరియు ILE సూచన (ఓపెన్ స్క్వేర్‌లు).(B) నానో-SCEల వాహకత అదనంగా GBలో 0 రోజులు (ఆకుపచ్చ చతురస్రాలు), 10 రోజులు (నలుపు త్రిభుజాలు) మరియు 138 రోజులు (నీలం త్రిభుజాలు) పొడిగా ఉంటుంది.(C) నానో-SCE యొక్క ఎండబెట్టే సమయం యొక్క వాహకత మరియు వర్గమూలం x విలువలు 2 (నలుపు చతురస్రాలు), 1.5 (నీలం త్రిభుజాలు), 1.0 (ఆకుపచ్చ త్రిభుజాలు) మరియు 0.5 (గోధుమ వజ్రాలు).(D) x = 2 (నలుపు చతురస్రాలు), 1.5 (నీలం త్రిభుజాలు) మరియు 1.0 (ఆకుపచ్చ త్రిభుజాలు)తో నానో-SCE యొక్క వాహకత N2-నిండిన తేమ చాంబర్‌లో బహిర్గతమవుతుంది.

గ్లోవ్ బాక్స్‌లోని ఆర్గాన్ వాతావరణం 0.1 ppm కంటే తక్కువ నీటిని కలిగి ఉంటుంది, ఇది 0.0005% RH, పాక్షిక నీటి పీడనం 0.01 Pa లేదా -88 ° C యొక్క మంచు బిందువుకు అనుగుణంగా ఉంటుంది.సిలానాల్-ముగించిన సిలికాపై శోషించబడిన నీటి పొరల సంఖ్య నీటి యొక్క పాక్షిక పీడనంతో సమతౌల్యంలో ఉన్నందున (అత్తి. S2), ఉపరితల నీరు నెమ్మదిగా నానో-SCE నుండి వ్యాపించి అంచుల వద్ద ఉత్కృష్టంగా మారుతుంది.గ్లోవ్ బాక్స్‌లో నివాస సమయం యొక్క విధిగా 23 μl నానో-SCE కోసం వాహకతలో మార్పును మూర్తి 3C చూపిస్తుంది.గ్లోవ్ బాక్స్‌లోని నీటి పాక్షిక పీడనం 0.01 Paతో సమతౌల్యంలో సిలికా ఉపరితలానికి సంబంధించిన విలువతో సంతృప్తమయ్యే వరకు ఎండబెట్టడంతో అయాన్ వాహకత తగ్గుతుంది.గ్లోవ్ బాక్స్ యొక్క తీవ్రమైన పొడి పరిస్థితుల్లో కూడా, కనీసం, సిలనాల్‌పై శోషించబడిన నీటి యొక్క పాక్షిక మోనోలేయర్ ఉంటుంది, ఎందుకంటే రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ ఇప్పటికీ 3524 cm−1 వద్ద సిగ్నల్‌ను చూపించింది, ఇది సిలానాల్‌పై శోషించబడిన నీటి యొక్క మొదటి మోనోలేయర్‌కు ప్రత్యేకమైనది. (Fig. 4B).సంతృప్త పరిస్థితులలో అయాన్ వాహకత అన్ని సందర్భాల్లో వ్యక్తిగత ILE కంటే చాలా తక్కువగా ఉంటుంది.అందువల్ల, రంధ్రం యొక్క ప్రధాన భాగంలో పరిమిత ILE యొక్క అయానిక్ వాహకతలో నష్టాన్ని భర్తీ చేయడానికి మెరుగుదల సరిపోదు.

(A) 1.5 (ఎరుపు), ILE రిఫరెన్స్ (నలుపు) మరియు SiO2 (నీలం) యొక్క x విలువ కలిగిన నానో-SCE యొక్క IR స్పెక్ట్రా, O═S═O సమూహం (1231 cm−1) ఇందులో పాల్గొంటుందని చూపిస్తుంది సిలికా ఉపరితలంపై OH- సమూహాలతో పరస్పర చర్య.(బి) 2 (నలుపు), 1.5 (ఎరుపు), మరియు 0.5 (నీలం) యొక్క x విలువలతో నానో-SCE యొక్క రామన్ స్పెక్ట్రా, నానో-SCE సమీపంలో సంతృప్తత (0.0005) కోసం కూడా సిలానాల్-టెర్మినేటెడ్ సిలికాపై బంధించబడిన మంచు నీటి ఉనికిని చూపుతుంది % RH) గ్లోవ్ బాక్స్‌లో (30 రోజులు).(C) నానో-SCEలో డిస్సోసియేషన్ Li-TFSIతో ఇంటర్‌ఫేస్ ఇంటరాక్షన్ కోసం ప్రతిపాదిత నమూనా, TFSI− యానియన్ దాని నెగటివ్ ఛార్జ్‌లో కొంత భాగాన్ని శోషించబడిన మంచు-TFSI-BMP పొరతో పంచుకుంటుంది;రంగులు ఊదా (సిలికాన్), ఎరుపు (లిథియం), ముదురు పసుపు (సల్ఫర్), నారింజ (ఆక్సిజన్), నీలం (నత్రజని), తెలుపు (హైడ్రోజన్) మరియు ఆకుపచ్చ (ఫ్లోరిన్)తో విభిన్న మూలకాలను సూచిస్తాయి.ఊదారంగు గీతలు TFSI అయాన్ యొక్క O═S సమూహం మరియు హైడ్రాక్సిలేటెడ్ సిలికా ఉపరితలం యొక్క OH-సమూహాల మధ్య హైడ్రోజన్ బంధాన్ని సూచిస్తాయి.శోషించబడిన పొరపై ద్విధ్రువ ద్వారా విడిపించబడిన Li+ అయాన్‌లు తదుపరి మొబైల్ లేదా ఇంటర్‌ఫేస్ లేయర్‌ల పైన ఉన్న అయానిక్ ద్రవ పొరలను విస్తరించవచ్చు.హైడ్రోజన్ బంధాల బలం మరియు సిలికాపై సమానమైన ఛార్జ్ ఆధారంగా, బహుళ శోషక పొర కూడా ఏర్పడుతుందని గమనించండి.పూర్తి స్పెక్ట్రా అంజీర్‌లో చూపబడింది.S8.

ఒక ఆసక్తికరమైన పరిశీలన ఏమిటంటే, అంజీర్ 3Cలో చూపిన విధంగా ఎండబెట్టే సమయం యొక్క వర్గమూలంతో సరళ సంబంధం, వాహకత మార్పు సిలికాపై శోషించబడిన మంచు నీటి పరిమాణంలో మార్పులకు నేరుగా అనులోమానుపాతంలో ఉంటుందని మరియు ఈ ఉపరితల నీటిని తొలగించడం అని సూచిస్తుంది. వ్యాప్తి పరిమితం."ఎండబెట్టడం" అనేది సమతౌల్య మంచు పొర కంటే RH తక్కువగా ఉన్న బహిరంగ వాతావరణంలో మాత్రమే జరుగుతుందని గమనించండి.వాహకత గుర్తించదగినదిగా మారలేదు, ఉదాహరణకు, ఉష్ణోగ్రత-ఆధారిత కొలతలకు ఉపయోగించే క్లోజ్డ్ కాయిన్ సెల్‌లలో.

గ్లోవ్ బాక్స్‌లో ఎండబెట్టే వివిధ సమయాల కోసం నానో-SCE యొక్క ఉష్ణోగ్రత ఆధారపడటం కొలుస్తారు.ఎండిన నానో-SCE యొక్క వాహకత ILEకి చేరుకోవడంతో, మెసోఫేస్ వాహకత కోసం నిరంతర σi వర్సెస్ 1/T ప్రొఫైల్‌లు క్రమంగా ILE కోసం ప్రొఫైల్‌కి మారాయి, మళ్లీ దాని ద్రవీభవన స్థానం చుట్టూ తగ్గుదలని వెల్లడిస్తుంది (Fig. S3).ఈ పరిశీలన నానో-SCEలో మెసోఫేస్ ప్రవర్తనకు దారితీసే ILEతో ఇంటర్‌ఫేస్ ఇంటరాక్షన్ కోసం మంచు పొర ఒక ఫంక్షనల్ లేయర్‌గా పనిచేస్తుందనే ఊహకు మరింత మద్దతునిస్తుంది.అందువల్ల, ఫంక్షనల్ లేయర్ తొలగించబడినప్పుడు, ILE కేవలం మెసోపోరస్ ఆక్సైడ్ పొరలో పరిమితమవుతుంది.

ఎలెక్ట్రోకెమికల్ స్టెబిలిటీ విండో యొక్క కొలతలు నానో-SCEలోని మంచు నీరు స్థిరంగా ఉన్నట్లు నిర్ధారిస్తుంది, ఎందుకంటే జడ TiN ఎలక్ట్రోడ్ (Fig. 2) వద్ద లేదా TiO2 థిన్-ఫిల్మ్ ఎలక్ట్రోడ్ వద్ద నీటి తగ్గింపు లేదా ఆక్సీకరణకు సంబంధించిన శిఖరాలు కనిపించలేదు. నీటి తగ్గింపు కోసం విద్యుత్ ఉత్ప్రేరకం వలె.బదులుగా, నానో-SCE యొక్క ఎలెక్ట్రోకెమికల్ స్థిరత్వం ILEతో సమానంగా ఉంటుంది మరియు తద్వారా ఎలక్ట్రోడ్ పొటెన్షియల్స్ > 4.3 V వద్ద TFSI− యొక్క ఆక్సీకరణ మరియు <1 V వర్సెస్ Li+/Li పొటెన్షియల్స్ వద్ద TFSI− మరియు BMP+ తగ్గింపు ద్వారా పరిమితం చేయబడింది. (33)పోలిక కోసం, 5 బరువు % (wt %) నీరు జోడించిన ILE కోసం వోల్టామోగ్రామ్ చూపబడింది (కొన్ని నానో-SCEకి సంబంధించిన కంటెంట్; టేబుల్ S1 చూడండి).ఈ సందర్భంలో, నీటి తగ్గింపు కోసం ఒక క్యాథోడిక్ బ్రాంచ్ 1.5 V వర్సెస్ Li+/Li వద్ద అనాటేస్ యొక్క Li-ఇంటర్‌కలేషన్ శిఖరాన్ని అనుసరించి వెంటనే కొలుస్తారు.

నానో-SCE యొక్క ఉష్ణ మరియు (ఎలక్ట్రో) రసాయన స్థిరత్వం ఎక్కువగా ILE పూరకం ద్వారా నిర్ణయించబడుతుంది.థర్మోగ్రావిమెట్రిక్ విశ్లేషణ (TGA) ILE-టు-సిలికా నిష్పత్తి (Fig. S4)తో సంబంధం లేకుండా, SCE మరియు ILE యొక్క థర్మల్ స్థిరత్వాన్ని 320 ° C వరకు చూపించింది.ఈ ఉష్ణోగ్రత పైన, Li-TFSI మరియు BMP-TFSI పూర్తిగా అస్థిర భాగాలుగా కుళ్ళిపోతాయి మరియు సిలికా మాతృక మాత్రమే దాదాపు 450°C ఉంటుంది.థర్మల్ కుళ్ళిన తర్వాత మిగిలి ఉన్న ద్రవ్యరాశి శాతం SCEలోని సిలికా భిన్నంతో బాగా సరిపోలింది.

నానో-SCE స్కానింగ్ ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోపీ (SEM)లో కొన్ని సిలికా పాచెస్‌తో కూడిన మృదువైన ఉపరితలం మినహా స్పష్టమైన సూక్ష్మ నిర్మాణాన్ని చూపలేదు (అంజీర్. S5).SCE యొక్క నిర్దిష్ట సాంద్రత హీలియం పైక్నోమీటర్‌తో నిర్ణయించబడింది మరియు అన్ని x విలువలకు (టేబుల్ S1) 1.5 g/cm3 ఉంటుంది.ఒక ద్రావకంలో ILE యొక్క దుర్భరమైన వెలికితీత ద్వారా పూర్తి సిలికా మ్యాట్రిక్స్ వెల్లడైంది (పదార్థాలు మరియు పద్ధతులు చూడండి).CO2 యొక్క క్లిష్టమైన పాయింట్ వద్ద జాగ్రత్తగా ఎండబెట్టడం ద్వారా, అంజీర్ 1Aలో చూపిన విధంగా చెక్కుచెదరకుండా ఉండే ఎయిర్‌జెల్ ఏకశిలాలను పొందవచ్చు.SEM తనిఖీ 10- నుండి 30-nm రంధ్రాల వ్యాసంతో మెసోపోరస్ సిలికా యొక్క పరంజాను చూపుతుంది, ఇది 100 నుండి 150 nm పెద్ద మాక్రోపోర్‌ల చుట్టూ చుట్టబడి ఉంటుంది, ఇది అంజీర్ 1 (B మరియు C)లో చూడవచ్చు.హై-రిజల్యూషన్ ట్రాన్స్‌మిషన్ ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోపీ (TEM) (Fig. 1D) దగ్గరగా ప్యాక్ చేయబడిన సిలికా నానోపార్టికల్స్‌తో కూడిన మైక్రోస్ట్రక్చర్‌ను మరింత బహిర్గతం చేసింది.0.5 మరియు 1.5 మధ్య x విలువలకు సగటు కణ వ్యాసం 7 నుండి 14 nm వరకు ఉంటుంది.

నిర్దిష్ట ఉపరితల వైశాల్యం [బ్రూనౌర్-ఎమ్మెట్-టెల్లర్ (BET)], సచ్ఛిద్రత, సగటు రంధ్ర పరిమాణం మరియు రంధ్రాల పరిమాణం పంపిణీ N2 శోషణం/నిర్జలీకరణ కొలతలతో (టేబుల్ S1 మరియు ఫిగ్. S6) నిర్ణయించబడ్డాయి.నిర్మాణం యొక్క పాక్షిక పతనం మరియు శోషించబడిన ILE యొక్క అసంపూర్ణ తొలగింపు సంఖ్యలను కొంతవరకు తప్పుగా సూచించవచ్చు.అందించిన సూపర్క్రిటికల్ CO2 ఉపయోగించి అయానిక్ ద్రవం మరియు నెమ్మదిగా ఎండబెట్టడం యొక్క జాగ్రత్తగా వెలికితీత, అయితే, ILE యొక్క వాల్యూమ్ భిన్నం నుండి సిలికా (Fig. 1) వరకు లెక్కించిన ఊహించిన సారంధ్రతకు దగ్గరగా విశ్వసనీయ ఫలితాలు.BET ఉపరితల వైశాల్యం 800 మరియు 1000 m2/g మధ్య ఉంటుంది.ఐసోథర్మ్ యొక్క వాలు నుండి పొందిన సగటు రంధ్ర పరిమాణం 7 మరియు 16 nm మధ్య ఉంటుంది.అదనంగా, SEM పరిశీలనలకు అనుగుణంగా సుమారు 200 nm వరకు పెద్ద రంధ్రాల యొక్క చిన్న భాగాన్ని కొలుస్తారు (అత్తి S6).రంధ్ర వ్యాసం ILE వాల్యూమ్ భిన్నం మరియు BET ఉపరితల వైశాల్యం నుండి పొందిన ILE పొర యొక్క రెండు రెట్లు సమానమైన మందంతో బాగా సరిపోతుంది, అంటే మెసోపోర్‌లు పూర్తిగా ILEతో నిండి ఉంటాయి.

నివేదించబడిన BET ఉపరితల వైశాల్యం మెసోపోర్‌లు మరియు మాక్రోపోర్‌లకు మాత్రమే.అసిటోన్-కడిగి మాతృక కోసం, మైక్రోపోర్‌లు (~ 0.6 nm) కూడా కొలుస్తారు.Fig. 1D యొక్క TEM ఇమేజ్‌లో చూపిన విధంగా నిర్మాణాన్ని రూపొందించే వ్యక్తిగత సిలికా నానోపార్టికల్స్ మధ్య మైక్రోపోర్‌లు కనిపిస్తాయి.650 (x = 0.5) మరియు 360 m2/g (x = 1.5) మధ్య గరిష్ట అదనపు ఉపరితల వైశాల్యం అంచనా వేయబడింది (టేబుల్ S1).

FTIR మరియు రామన్ స్పెక్ట్రా రెండూ మైక్రోపోర్‌లు, మీసోపోర్‌లు మరియు మాక్రోపోర్‌లను పరిగణనలోకి తీసుకున్నప్పుడు 1400 m2/g కంటే ఎక్కువ ప్రభావవంతమైన ఉపరితల వైశాల్యంతో అధిక-సచ్ఛిద్రత సిలికా మాతృకపై అధిశోషించబడిన మంచు నీటి అణువులతో సిలానాల్ సమూహాలకు స్పష్టమైన సాక్ష్యాలను చూపుతాయి.సున్నా మరియు మూడు నీటి మోనోలేయర్‌ల మధ్య నానో-SCEలోని అదనపు నీటి నుండి x <1.75 వరకు అంచనా వేయబడింది.ప్లానార్ సిలికా కోసం, శోషించబడిన నీటి యొక్క మొదటి మూడు మోనోలేయర్‌లు OH-ముగించిన ఉపరితలం (32)కి బలమైన హైడ్రోజన్ బంధం కారణంగా స్థిరంగా మరియు ఘన-వంటివిగా పరిగణించబడతాయి (అత్తి. S2 చూడండి).మంచు నీటి పొరతో బంధించబడిన సిలానాల్ హైడ్రోజన్‌తో అనుబంధించబడిన O─H స్ట్రెచ్ FTIR స్పెక్ట్రాలో 3540 cm−1 వద్ద కనుగొనబడింది.అన్ని నానో-SCEలు వాక్యూమ్ డ్రైయింగ్ తర్వాత మరియు గ్లోవ్ బాక్స్‌లో మరింత ఎండబెట్టిన తర్వాత మంచు నీటికి 3540 cm−1 వద్ద ఒక ప్రత్యేక శిఖరాన్ని చూపుతాయి (Fig. 2).0.0005% RH (గ్లోవ్ బాక్స్) వద్ద సమతౌల్య నానో-SCE కోసం కూడా, రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ ఇప్పటికీ కనీసం ఒక పాక్షిక మోనోలేయర్ (Fig. 4B) ఉనికిని చూపించింది.ప్లానార్ సిలికాపై నాల్గవ మోనోలేయర్ పరివర్తన పొర అని నమ్ముతారు, అంటే ఇది ఇప్పటికీ శోషించబడి మరియు పరిమితం చేయబడింది, అయితే కొంత చలనశీలతను కలిగి ఉంటుంది.ఐదవ పొర నుండి, నీరు మొబైల్గా మరియు ద్రవంగా మారుతుంది.ద్రవ నీటిలో తక్కువ స్థాయి H-బంధం కారణంగా FTIR స్పెక్ట్రంలో ద్రవ-వంటి నీరు అధిక తరంగ సంఖ్యల వద్ద కనిపిస్తుంది.60% RHకి గురైన నానో-SCE కోసం, 3540-సెం.మీ−1 శిఖరం అదనపు శోషక ద్రవ నీటి పొర కారణంగా అధిక తరంగ సంఖ్యలకు మారినట్లు చూపిస్తుంది.ఈ విషయంలో ఆసక్తికరమైన విషయం ఏమిటంటే, నమూనా 30% RHకి బహిర్గతమయ్యే ప్రయోగం, ఎందుకంటే ఈ తేమ వద్ద సిలికాపై ద్రవ నీరు ఇంకా ఆశించబడలేదు (Fig. S2).ఈ నమూనా కోసం, FTIRలో మంచు నీటికి 3540 cm−1 శిఖరం మాత్రమే కనిపిస్తుంది.అదనంగా, 30% RH వద్ద 4 రోజుల తర్వాత కూడా 1635 cm−1 వద్ద ఉచిత నీటి శిఖరం కనుగొనబడలేదు.నానో-SCE వాక్యూమ్ ట్రీట్‌మెంట్ ద్వారా ఎండబెట్టిన తర్వాత హైడ్రోఫోబిక్ BMP-TFSIలో కరిగిన హైగ్రోస్కోపిక్ Li-TFSI ద్వారా నీరు తీసుకోబడదని దీని అర్థం.కాబట్టి, SCEలోని ఏదైనా అదనపు నీరు OH-ముగించిన సిలికా ఉపరితలంపై శోషించబడుతుంది.అందువల్ల, ప్లానార్ సిలికా కొరకు, SCE సిలికా మాతృక పర్యావరణంలో నీటి పాక్షిక పీడనంతో సమతుల్యతలో ఉంటుంది.

ఈ పరికల్పనను మరింత పరీక్షించడానికి, నానో-SCE (x = 1, 1.5, మరియు 2) యొక్క అయాన్ వాహకత వేర్వేరు % RH వద్ద కొలుస్తారు;శోషించబడిన నీటి కవరేజీని సమతౌల్య స్థితికి చేరుకోవడానికి అనుమతించడానికి నమూనాలు 2 రోజుల పాటు గ్లోవ్ బాక్స్‌లో పొడి మరియు తేమతో కూడిన N2 వాయువు యొక్క నియంత్రిత మిశ్రమానికి బహిర్గతమయ్యాయి (Fig. 3D).~0% RH వద్ద ఉన్న పాయింట్ల కోసం, గ్లోవ్ బాక్స్‌లోని సమతౌల్య నానో-SCE కోసం వాహకత తీసుకోబడింది.ఆశ్చర్యకరంగా, అయాన్ కండక్టివిటీ వర్సెస్ RH(%) ప్రొఫైల్ ప్లానార్ సిలికా (ఫిగ్. S2)పై నీటి శోషణ కోసం ఊహించిన ప్రవర్తనను అనుసరించింది.0 మరియు 30% RH మధ్య, పెరుగుతున్న RHతో వాహకత పెరిగింది.శోషించబడిన మంచు పొర సాంద్రత మరియు మందం (ప్లానార్ సిలికాపై ఒకటి నుండి మూడు మంచు పొరలకు అనుగుణంగా) పెరుగుదల కోసం ఊహించిన విధంగా.30% RH వద్ద చాలా రోజుల పాటు నానో-SCEలో ఉచిత నీరు లేదని FTIR చూపించిందని గమనించండి.పరివర్తన 50% RH చుట్టూ కనిపిస్తుంది, ప్లానార్ సిలికా కోసం పరివర్తన శోషక నీటి పొర ఆశించబడే పరిస్థితులకు అనుగుణంగా ఉంటుంది.చివరికి, అయాన్ వాహకతలో విశిష్టమైన దశల పెరుగుదల 60% మరియు అధిక తేమల వైపు కనుగొనబడింది, ఇక్కడ ప్లానార్ సిలికాతో సారూప్యతతో, ఇప్పుడు, సిలికా మరియు ఎంబెడెడ్ ILE మధ్య ఇంటర్‌ఫేస్ వద్ద ద్రవ-వంటి నీటి పొర కూడా ఏర్పడుతుంది.FTIRతో, మంచు పొరపై ఒక ద్రవ నీటి పొర ఇప్పుడు సిలానాల్/ఐస్/వాటర్ వైబ్రేషనల్ పీక్‌ను అధిక శక్తులకు మార్చడం ద్వారా గుర్తించబడుతుంది (Fig. 2A).వాహకతలో గమనించిన మార్పు రివర్సబుల్;అందువలన, నానో-SCE తేమ సెన్సార్ మరియు లి-అయాన్ ఎలక్ట్రోలైట్‌గా పని చేస్తుంది.Fig. 3D నుండి, వాక్యూమ్ ఎనియల్ తర్వాత వెంటనే నానో-SCE యొక్క అయాన్ వాహకత సమతౌల్య హైడ్రేటెడ్ సిలికా ~10% RHకి అనుగుణంగా ఉంటుంది.పొడి గది పరిస్థితులలో (~0.5% RH) సంతృప్తత కోసం అయాన్ వాహకత దాదాపు 0.6 mS/cm (x = 2 కోసం) ఉంటుంది.ఈ ప్రయోగం అయాన్ వాహకతపై ఇంటర్‌ఫేషియల్ వాటర్ ప్రభావాన్ని స్పష్టంగా ప్రదర్శిస్తుంది.RH > 60% కోసం, అధిక అయాన్ వాహకతను ద్రవ-వంటి పొర ద్వారా పరిష్కరించబడిన Li+ వేగంగా వ్యాప్తి చేయడం ద్వారా వివరించవచ్చు.అయితే, ఒక ఘన మంచు పొర విషయంలో, Li+ అయాన్ వ్యాప్తి అనేది ఘన-స్థితి రకం వ్యాప్తి మరియు అయానిక్ ద్రవం ద్వారా కంటే నెమ్మదిగా ఉంటుంది.బదులుగా, దిగువ మోడల్‌లో ప్రతిపాదించినట్లుగా, లి-ఉప్పు మరియు అయానిక్ ద్రవ అణువుల యొక్క సేంద్రీయ అయాన్లు మరియు కాటయాన్‌ల యొక్క మెరుగైన శోషణకు మెరుగుదల ఆపాదించబడింది.

సిలానాల్ సమూహాలపై స్థిరమైన మంచు పొరతో H- వంతెనల ద్వారా సిలికా ఉపరితలంపై అయానిక్ ద్రవ అణువులు శోషించబడే నమూనాను మేము ప్రతిపాదిస్తాము (Fig. 4).జలవిశ్లేషణ సంగ్రహణ ప్రతిచర్య యొక్క అంతర్గత స్వభావం అత్యధిక సిలానాల్ సాంద్రతను అందిస్తుంది (4 × 1014 నుండి 8 × 1014 cm−2, ఇది ఒక సెం.మీ.కు ~8 × 1014 నీటి అణువులతో కూడిన మంచు యొక్క ఒక మోనోలేయర్ సాంద్రతతో బాగా సరిపోతుంది) (34).TFSI అయాన్ల O పరమాణువులు మరియు సిలికా మధ్య పరమాణు పరస్పర చర్యలకు సాక్ష్యం FTIR ద్వారా అందించబడింది, ఇది ILE సూచన (Fig. 4A; పూర్తి స్పెక్ట్రా)తో పోలిస్తే అన్ని నానో-SCE కోసం O═S═O శిఖరాన్ని రెట్టింపు చేస్తుంది. అంజీర్లో S8).1231 cm−1 నుండి −5 cm−1తో అదనపు శిఖరం యొక్క మార్పు TFSI అయాన్లలో కనీసం కొంత భాగానికి O═S═O సమూహాల బంధాన్ని సూచిస్తుంది.అందువల్ల, మంచు నీటి పొరపై TFSI అయాన్ల H-బంధం భావించబడుతుంది.తదనంతరం, పెద్ద హైడ్రోఫోబిక్ BMP కాటయాన్‌లు మొదటి TFSI పొరతో అనుబంధించబడి, అయానిక్ ద్రవ అణువుల యొక్క మొదటి శోషక పొరను పూర్తి చేస్తాయి.మంచు పొర విషయానికొస్తే, శోషించబడిన BMP-TFSI అణువులు ఎక్కువగా కదలకుండా ఉంటాయి, తద్వారా సిలికా ఉపరితలంపై ఘన-వంటి మంచు పొరను విస్తరిస్తుంది.TFSI అయాన్ సుష్ట O═S═O సమూహాన్ని కలిగి ఉన్నందున, ఒక ఆక్సిజన్ అణువు హైడ్రాక్సిలేటెడ్ సిలికా ఉపరితలంతో సంకర్షణ చెందుతుంది, మరొకటి BMP కాటయాన్‌లకు అంటుకునే బిందువులను ఏర్పరుస్తుంది.TFSI అయాన్ రెండు O═S═O సమూహాలను కూడా కలిగి ఉంది, ఇది అయాన్ మోనోలేయర్ యొక్క దృఢమైన శోషణ మరియు దట్టమైన క్రమానికి హామీ ఇస్తుంది.సంభావ్య అంటుకునే బిందువులుగా OH-సమూహాల అత్యధిక సాంద్రత కలిగిన దట్టమైన మంచు పొర విషయంలో అధిశోషణం అత్యంత ప్రభావవంతంగా ఉంటుంది.కేవలం సిలానాల్ సమూహాల సమక్షంలో, శోషణం నిరంతర యాడ్సోర్బేట్ పొరను ఏర్పరుచుకునేంత బలంగా ఉండకపోవచ్చు.అదనంగా, పెరుగుతున్న మంచు మోనోలేయర్‌ల సంఖ్య హైడ్రోజన్ బంధం (35) యొక్క బలాన్ని పెంచుతుంది.BMP కేషన్ మరియు ఆర్డర్ చేయబడిన TFSI మోనోలేయర్ మధ్య పరమాణు పరస్పర చర్యలు TFSI అయాన్‌కు భ్రమణ స్వేచ్ఛ మరియు అంతర్లీన ఉపరితలం నుండి ధ్రువణత లేని అయానిక్ లిక్విడ్‌లోని దానికంటే భిన్నంగా ఉంటుందని గమనించండి.పెద్ద BMP కేషన్ యొక్క ఛార్జ్ నిజానికి అంతర్గత బంధాల ధ్రువణత మరియు దాని రసాయన వాతావరణంతో పరమాణు పరస్పర చర్యల ద్వారా అనేక అణువులపై పంపిణీ చేయబడుతుంది మరియు ప్రత్యేకంగా, శోషించబడిన TFSI అయాన్.TFSI అయాన్ యొక్క O-సమూహం మరియు మంచు పొర యొక్క OH-ముగింపు మధ్య H-బంధం ఇప్పుడు మొదటి శోషక పొరపై ద్విధ్రువాన్ని పరిచయం చేస్తుంది, ఇది అనుబంధం ద్వారా మరింత పరమాణు క్రమాన్ని ప్రేరేపిస్తుంది.ఈ సమయంలో, చిన్న Li-TFSI అణువులు పరమాణు పొరపై శోషించబడతాయని నమ్ముతారు, దీని ద్వారా TFSI అయాన్ ఇప్పుడు ఎగువ పొరలోని ఒకటి లేదా అంతకంటే ఎక్కువ BMP కాటయాన్‌ల యొక్క అవశేష ధనాత్మక ద్విధ్రువ ఛార్జ్‌ను భర్తీ చేస్తుంది, అందువల్ల దాని Li తో దాని అనుబంధాన్ని వదులుతుంది. అయాన్.ఈ విధంగా, ఈ ఇంటర్‌ఫేస్‌లో ఉచిత Li+ యొక్క ఏకాగ్రత పెరుగుతుంది, ఇది అధిక అయాన్ వాహకతకు దారితీస్తుంది.అందువల్ల, దట్టమైన మరియు మందమైన మంచు పొరలు భర్తీ చేయడానికి అధిక అవశేష ఛార్జ్‌తో పెద్ద ద్విధ్రువాన్ని ప్రవేశపెడతాయి, దామాషా ప్రకారం అధిక ఉచిత Li+ గాఢతను మరియు తద్వారా అయాన్ వాహకతను అందిస్తాయి.

శోషించబడిన ILE పొర పైన, మరొక ILE పొర సిలికాపై మంచు బహుళస్థాయిల వలె శోషించవచ్చు లేదా మంచు పొర యొక్క ద్విధ్రువ పుల్ చాలా బలహీనంగా ఉంటుంది మరియు తేలికగా కట్టుబడి ఉన్న ILE పైన ఉంటుంది, ఇది ద్రవ-వంటి ప్రసరణను అందిస్తుంది. దిగువ శోషక పొరలో విడుదల చేయబడిన Li+ అయాన్లు (Fig. 4C).ఉచిత Li+ అయాన్ ఏకాగ్రతలో మార్పు NMR మరియు రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ కొలతలు రెండింటి ద్వారా ధృవీకరించబడింది.రామన్ కొలతలు పరోక్షంగా ఉచిత Li+ అయాన్‌ల యొక్క పెద్ద భాగం నానో-SCEలో సిలికాకు కట్టుబడి ఉన్న మరిన్ని మంచు నీటి పొరలతో ఉన్నట్లు చూపిస్తుంది (Fig. 5).TFSI అయాన్ (36) యొక్క N-గ్రూప్ యొక్క వైబ్రేషన్‌ను పరిశీలించడం ద్వారా TFSIతో కేషన్ యొక్క అనుబంధాన్ని రామన్ కొలుస్తుంది.స్వచ్ఛమైన BMP-TFSI అయానిక్ ద్రవంలో, 741 cm−1 వద్ద ఒకే ఒక్క శిఖరం మాత్రమే కనిపిస్తుంది.స్వచ్ఛమైన ILE విషయంలో, ఒక అదనపు శిఖరం 746 cm−1 వద్ద కనిపిస్తుంది, ఇక్కడ రెండు TFSI అయాన్లు ఒకే Li+ అయాన్‌తో సమన్వయం చేస్తాయి [మెటీరియల్స్ మరియు మెథడ్స్‌లో డెన్సిటీ ఫంక్షనల్ థియరీ (DFT) లెక్కలను చూడండి].అన్ని నానో-SCEల కోసం, 746 cm−1 వద్ద గరిష్ట తీవ్రత ILE కంటే బలహీనంగా ఉంది, ఇది అనుబంధించబడిన Li-TFSI యొక్క చిన్న భాగాన్ని సూచిస్తుంది మరియు తత్ఫలితంగా, నాన్-అసోసియేటెడ్ లేదా ఉచిత Li+ కాటయాన్‌ల యొక్క పెద్ద భాగాన్ని సూచిస్తుంది.అత్యధిక వాహకత మెరుగుదలని చూపే నానో-SCEలకు శిఖరం బాగా తగ్గుతుంది, అనగా, మందమైన మంచు పొర ఉన్న వారికి.గ్లోవ్ బాక్స్‌లోని సమతౌల్యం వద్ద నానో-SCE కోసం, ఇప్పటికీ, ఉచిత Li+ యొక్క కొంత భాగాన్ని వాక్యూమ్-ఎనియల్డ్ నమూనాల కంటే చాలా తక్కువగా కొలుస్తారు.746 కంటే ఎక్కువ 741 సెం.మీ−1 రామన్ షిప్ట్‌లకు గరిష్ట తీవ్రతల నిష్పత్తి అప్పుడు TFSI-అనుబంధ లి-అయాన్‌లకు ఉచిత నిష్పత్తి యొక్క కొలత (Fig. 5B).x విలువతో ఉచిత Li+ అయాన్ భిన్నంలో సరళ పెరుగుదల అంజీర్ 3Bలోని x విలువతో వాహకత మెరుగుదల ధోరణిని చక్కగా అనుసరిస్తుంది, వాక్యూమ్ డ్రైడ్ నానో-SCE (డే 0) మరియు గ్లోవ్ బాక్స్ డ్రైనెస్‌తో సమతౌల్యంలో ఉన్న SCE రెండింటికీ (రోజు 138)

(A) 0.5 (ఆకుపచ్చ), 1.5 (పసుపు) x విలువలతో సిద్ధమైన నానో-SCE (వాక్యూమ్ డ్రై) యొక్క అయానిక్ లిక్విడ్ (IL; చుక్కల నీలి గీత) మరియు ILE సూచన (ILE; డాష్-చుక్కల రేఖ) యొక్క రామన్ స్పెక్ట్రా , మరియు 2 (గోధుమ రంగు) మరియు నానో-SCE (x = 1.5) అదనంగా గ్లోవ్ బాక్స్‌లో 30 రోజులు లేదా 0.0005% RH (ఎరుపు) వద్ద సంతృప్తతకు సమీపంలో ఎండబెట్టాలి.నిలువు పంక్తులు TFSI కోసం రామన్ షిఫ్ట్‌ని లేబుల్ చేస్తాయి, దాని N కేంద్రం Li+ (746 cm−1)కి సమన్వయం చేయబడింది మరియు వరుసగా Li+ (741 cm−1)కి సమన్వయం చేయబడదు.(B) నానో-SCE యొక్క కోఆర్డినేటెడ్ Li+కి సంశ్లేషణ చేయబడిన (వాక్యూమ్ డ్రై, బ్లాక్ సర్కిల్‌లు) మరియు అదనంగా 0.0005% RHతో గ్లోవ్ బాక్స్‌లలో 30 రోజులు (నీలం వజ్రాలు) ఎండబెట్టడం, ఇది ఏకీకృత తీవ్రత యొక్క నిష్పత్తికి అనుగుణంగా ఉంటుంది. రామన్ శిఖరాలు (746 cm−1 పైగా 741 cm−1).(C) నానో-SCE (ఎరుపు వజ్రాలు) మరియు ILE రెఫరెన్స్ యొక్క PFG-NMR-ఉత్పన్నమైన Li+ సెల్ఫ్ డిఫ్యూజన్ కోఎఫీషియంట్.(నలుపు చతురస్రాలు) ప్రవణత అయస్కాంత క్షేత్ర పప్పుల మధ్య విరామం యొక్క విధిగా.రామన్ స్పెక్ట్రాపై సైద్ధాంతిక శిఖరాలు DFT గణనను ఉపయోగించి అనుకరించబడ్డాయి.

పల్సెడ్-ఫీల్డ్ గ్రేడియంట్ NMR (PFG-NMR) నుండి, వివిధ మొబైల్ లి-అయాన్ జాతుల స్వీయ-వ్యాప్తి గుణకం ILE ద్రవ సూచన కోసం మరియు నానో- కోసం గ్రేడియంట్ మాగ్నెటిక్ ఫీల్డ్ పల్స్ ∆ మధ్య విరామం యొక్క విధిగా నిర్ణయించబడింది. SCE (x = 1.5) అదే అయాన్ వాహకత 0.6 mS/cm (Fig. 5C).ILE సూచనలో Li+ స్వీయ-వ్యాప్తి గుణకం స్థిరంగా ఉంటుంది, ఇది ద్రవంలో చాలా సారూప్య చలనశీలత కలిగిన ఒకటి లేదా బహుళ Li జాతులు మాత్రమే ఉన్నాయని సూచిస్తుంది.నానో-SCE కోసం, స్వీయ-వ్యాప్తి గుణకం ∆తో మారుతూ ఉంటుంది మరియు చిన్న ∆ వద్ద ILE కంటే ఎక్కువగా ఉంటుంది, ఇది అయస్కాంత క్షేత్ర పప్పుల మధ్య తక్కువ వ్యవధిలో మాత్రమే స్పందించే వేగంగా కదిలే జాతుల ఉనికిని సూచిస్తుంది.స్వీయ-వ్యాప్తి గుణకంలోని గ్రేడియంట్, రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ నుండి ఊహించినట్లుగా, ఉచిత లి-అయాన్ ఏకాగ్రత పెరుగుదల పక్కన, మెసోఫేస్ ఇంటర్‌ఫేస్ లేయర్‌లో కూడా వ్యాప్తికి క్రియాశీలత శక్తి తగ్గుతుందని సూచిస్తుంది.ఇది మెసోఫేస్ లేయర్‌లోని (మరింత) ఉచిత Li+ అయాన్‌ల ద్వారా పరిచయం చేయబడిన వాహకత మెరుగుదలకు మద్దతు ఇస్తుంది.ఇక ∆ వద్ద, స్వీయ-వ్యాప్తి గుణకం ILE సూచన కంటే తక్కువగా ఉంది.ఇది ILEతో పోలిస్తే గ్లోవ్ బాక్స్-సంతృప్త నానో-SCE కోసం చాలా తక్కువ అయాన్ వాహకతను ధృవీకరిస్తుంది.మెసోపోర్‌ల కోర్‌లో పరిమితమైన ILE పరమాణు కదలిక యొక్క పరిమితి కారణంగా అధిక స్నిగ్ధతను కలిగి ఉంటుంది.అందువల్ల, సిలికా/ఐస్/ఐఎల్‌ఈ ఇంటర్‌ఫేస్ వద్ద చాలా వేగంగా వ్యాపించే లి-అయాన్‌లను సృష్టించడం ద్వారా మెరుగుదల రంధ్రం యొక్క కోర్‌లో వాహకత తగ్గడాన్ని భర్తీ చేస్తుంది.ఇంటర్‌ఫేస్‌లు తగినంత అయాన్ వాహక ప్రమోషన్‌ను అందించని కణ-ఆధారిత వ్యవస్థలలో మెరుగుదల లేకపోవడాన్ని ఇది వివరిస్తుంది (Fig. S1).

లిథియం మెటల్‌కు వ్యతిరేకంగా నానో-SCE యొక్క ఎలెక్ట్రోకెమికల్ స్థిరత్వం మూడు-ఎలక్ట్రోడ్ సెటప్‌ను ఉపయోగించి పరీక్షించబడింది (సెటప్ యొక్క స్కీమాటిక్ ఫిగ్. S7లో చూపబడింది).Li/SCE (x = 1.5) మరియు Li/ILE సగం సెల్ యొక్క ప్రస్తుత-సంభావ్య లక్షణం అంజీర్ 6Aలో చూపబడింది.అంజీర్ 2లోని ఎలెక్ట్రోకెమికల్ విండో కొరకు, ఎలెక్ట్రోకెమిస్ట్రీ ILE పూరకం ద్వారా పరిమితం చేయబడింది.రివర్సిబుల్ లిథియం ప్లేటింగ్ మరియు స్ట్రిప్పింగ్ గమనించవచ్చు.ఒక స్థిరమైన ఘన ఎలక్ట్రోలైట్ ఇంటర్‌ఫేస్ (SEI) పొర దాదాపు 0.9 కిలో-ఓమ్·సెం2 RSEIతో మెటాలిక్ లిథియం వద్ద ఏర్పడుతుంది, ఇది క్యాథోడిక్ మరియు అనోడిక్ రెండు వైపులా ఉన్న iU వక్రరేఖలో పెద్ద IR డ్రాప్‌కు బాధ్యత వహిస్తుంది.స్వచ్ఛమైన ILE సొల్యూషన్స్‌లోని కాథోడిక్ కరెంట్ −2.5 mA/cm2 వరకు ఎలాంటి హిస్టెరిసిస్‌ను చూపించలేదు.అయినప్పటికీ, అనోడిక్ డిసోల్యూషన్ కేవలం 0.06 mA/cm2 యొక్క స్థిరమైన-స్టేట్ యానోడిక్ కరెంట్‌తో నిష్క్రియాత్మక శిఖరాన్ని చూపించింది.ఘన-ఘన Li/SCE ఇంటర్‌ఫేస్‌లోని కాథోడిక్ కరెంట్ బ్రాంచ్ −0.5 mA/cm2 కంటే తక్కువ కాథోడిక్ కరెంట్‌లకు హిస్టెరిసిస్‌ను చూపించలేదు.అయితే SEI యొక్క ప్రతిఘటన రెట్టింపు స్థాయిలో ఉంది.అదేవిధంగా, అనోడిక్ పీక్ తక్కువగా ఉంది మరియు అనోడిక్ పాసివేషన్ పీక్ తర్వాత స్థిరమైన-స్టేట్ కరెంట్ 0.03 mA/cm2, స్వచ్ఛమైన ILE ద్రావణంలో సగం మాత్రమే.SCE యొక్క రంధ్రాలలో SEI మరియు పాసివేషన్ పొరలు ఏర్పడటం వలన లిథియం మెటల్ వద్ద కరెంట్‌ని పరిమితం చేస్తుంది.Li/ILE మరియు Li/SCE ఎలక్ట్రోడ్‌ల కోసం వోల్టామోగ్రామ్‌లు రెండూ బహుళ చక్రాలపై పునరుత్పత్తి చేయబడతాయి, అనోడిక్ పాసివేషన్ లేయర్ మరియు కెమికల్ SEI లేయర్ రివర్సిబుల్ మరియు స్థిరంగా ఉన్నాయని సూచిస్తుంది.Li/SCE ఇంటర్‌ఫేస్‌లోని స్లో డిసోల్యూషన్ కైనటిక్స్ దిగువన ఉన్న Li మెటల్ యానోడ్‌లతో చేసిన సగం-కణాల పనితీరును తీవ్రంగా పరిమితం చేస్తుంది.

(A) నానో-SCE (x = 1.5, వాక్యూమ్ ఎండబెట్టడం తర్వాత సంశ్లేషణ చేయబడినట్లుగా) (ఎరుపు) మరియు ILE రిఫరెన్స్ (నలుపు) యొక్క సైక్లిక్ వోల్టామోగ్రామ్ Liతో మూడు-ఎలక్ట్రోడ్ కాన్ఫిగరేషన్‌లో పని, కౌంటర్ మరియు రిఫరెన్స్ ఎలక్ట్రోడ్‌లు (SEI రెసిస్టెన్స్ అంచనా వేయబడింది) కాథోడిక్ కరెంట్‌పై IR తగ్గుదల వరుసగా ILE మరియు SCEకి 0.9 మరియు 1.8 కిలో-ఓమ్·సెం.మీ2).(B) 1C, 5C మరియు 20C యొక్క C-రేట్ల వద్ద ఐదు సైకిళ్ల కోసం Li/SCE (x = 1)/100-nm థిన్-ఫిల్మ్ LiMn2O4 సెల్ యొక్క గాల్వానిక్ ఛార్జ్/డిచ్ఛార్జ్ కర్వ్‌లు.(C) Li/SCE/40-μm Li4Ti5O12 మరియు Li/SCE/30-μm LiFePO4 పౌడర్ ఎలక్ట్రోడ్ సెల్స్ (1 mV/s) యొక్క సైక్లిక్ వోల్టామోగ్రామ్‌లు.(D) 1C, 0.1C, 0.2C మరియు 0.02C వద్ద Li/SCE/40-μm Li4Ti5O12 పౌడర్ ఎలక్ట్రోడ్ యొక్క గాల్వానిక్ ఛార్జ్/డిచ్ఛార్జ్ కర్వ్‌లు.(E) 1C, 0.5C, 0.2C, 0.1C, 0.05C మరియు 0.01C వద్ద Li/SCE/30-μm LiFePO4 పౌడర్ ఎలక్ట్రోడ్ యొక్క గాల్వానిక్ ఛార్జ్/డిచ్ఛార్జ్ కర్వ్‌లు.(F) Li/SCE/30-μm LiFePO4 పౌడర్ ఎలక్ట్రోడ్ యొక్క సైకిల్ సంఖ్యకు వ్యతిరేకంగా కెపాసిటీ (డీలిథియేషన్ కోసం నిండిన వజ్రాలు మరియు లిథియేషన్ కోసం ఓపెన్ స్క్వేర్‌లు);కణాలలో SCE యొక్క మందం సుమారు 280 μm.LFP మరియు LTO కాథోడ్ యొక్క సాంద్రత వరుసగా 1.9 మరియు 11.0 mg/cm2.(G) 0.1, 0.2, 0.5, మరియు 0.1 mA/cm2 ప్రస్తుత సాంద్రత వద్ద సైకిల్ చేయబడిన Li/SCE/Li స్టాక్ యొక్క పొటెన్షియల్ వర్సెస్ టైమ్ కర్వ్‌లు.(H) Li/SCE/Li స్టాక్ యొక్క 1వ, 10వ, 125వ మరియు చివరి ధ్రువణత (G)లో చూపబడిన 0.1 mA/cm2 వద్ద ఒత్తిడి చేయబడింది.(G) మరియు (H), SCE వాహకత 0. 34 mS/cm, మరియు SCE గుళికల మందం 0.152 సెం.మీ.

కణ మిశ్రమ ఎలక్ట్రోడ్‌లలో సంభావ్య ఇంటర్‌ఫేస్ సమస్యలను తొలగించేటప్పుడు నానో-SCE మరియు ఎలక్ట్రోడ్ మెటీరియల్ రెండింటి స్థిరత్వాన్ని పరీక్షించడానికి 100-nm LiMn2O4 (LMO) థిన్-ఫిల్మ్ మోడల్ పాజిటివ్ ఎలక్ట్రోడ్‌గా ఉపయోగించబడింది (37).థిన్-ఫిల్మ్ ఎలక్ట్రోడ్/SCE స్టాక్ యొక్క సైక్లింగ్ పనితీరు ఎలక్ట్రోడ్ మరియు ఎలక్ట్రోలైట్ మధ్య ఇంటర్‌ఫేస్ యొక్క స్థిరత్వాన్ని ప్రదర్శిస్తుంది.ఈ మోడల్ థిన్-ఫిల్మ్ సెటప్‌లో, ఎలక్ట్రోలైట్ మరియు ఎలక్ట్రోడ్ మధ్య ఒకే ఒక్క, బాగా నిర్వచించబడిన మరియు ప్లానర్ ఇంటర్‌ఫేస్ కాంటాక్ట్ మాత్రమే ఉంటుంది, అనగా, వాల్యూమ్ మార్పు సమస్యలు లేకుండా ఎలక్ట్రోలైట్/ఎలక్ట్రోడ్ ఇంటర్‌ఫేస్ యొక్క ఎలక్ట్రోకెమిస్ట్రీని అధ్యయనం చేయడానికి ఇది ఒక ఆదర్శ వేదిక. , మొదలైనవి. అలాగే ఈ ప్రయోగంలో, ప్రస్తుత సాంద్రత (1Cకి 6 μA/cm2) లిథియం సగం కోసం స్థిరమైన-స్థితి అనోడిక్ కరెంట్ పీఠభూమి కంటే తక్కువగా ఉన్నందున, రేటు పనితీరు Li-రేకు కౌంటర్ ఎలక్ట్రోడ్ ద్వారా పరిమితం చేయబడదు. సెల్ (0.03 mA/cm2).20కి పైగా చక్రాల కోసం 1 మరియు 20C మధ్య C-రేట్ల కోసం 4.3 V వద్ద కటాఫ్ వోల్టేజ్ కోసం పునరుత్పత్తి మరియు స్థిరమైన ఛార్జ్/ఉత్సర్గ వక్రతలు పొందబడతాయి (Fig. 6B).LiB కోసం ద్రవ ఎలక్ట్రోలైట్‌లో LMO అస్థిరంగా ఉంటుంది.ఉదాహరణకు, 1C (37) వద్ద LiClO4/ప్రొపైలిన్ కార్బోనేట్ ఎలక్ట్రోలైట్‌లో 10 చక్రాల కోసం 100-nm LMO ఫిల్మ్ ఛార్జ్-డిశ్చార్జిపై 50% సామర్థ్యం తగ్గింపు గమనించబడింది.సాధారణ లిక్విడ్ ఎలక్ట్రోలైట్ కంటే నానో-SCE LMOతో మరింత అనుకూలంగా ఉందని మా ఫలితాలు చూపిస్తున్నాయి.

నానో-SCE యొక్క ఏకీకరణను ప్రదర్శించడానికి, మేము Li4Ti5O12 (LTO) మరియు LiFePO4 (LFP) పౌడర్ ఎలక్ట్రోడ్‌లతో సగం కణాలను కూడా రూపొందించాము.నానో-SCE గుళికల మాదిరిగానే వాటిని ఎండబెట్టి మరియు వాక్యూమ్-ఎనియెల్ చేయడానికి ముందు, పోరస్ ఎలక్ట్రోడ్‌లను నింపడానికి నాణేల కణంలోకి పూర్వగామి ద్రావణం డ్రాప్-కాస్ట్ చేయబడింది మరియు తదుపరి జిలేషన్ కోసం వదిలివేయబడింది.కణాలు సంబంధిత ఎలక్ట్రోడ్ల (Fig. 6C) యొక్క లక్షణ లిథియేషన్/డీలిథియేషన్‌ను చూపుతాయి.LTO కంటే LFP కోసం తక్కువ పీక్ కరెంట్‌లు పూత మందంలో వ్యత్యాసం కారణంగా ఉన్నాయి.ఛార్జ్/ఉత్సర్గ కొలతల సమయంలో రేటు పనితీరు ఇప్పుడు 30- నుండి 40-μm-మందపాటి ఎలక్ట్రోడ్ పూత (Fig. 6, D మరియు E) పైన ఏర్పడిన నానో-SCE లేయర్‌పై నొక్కబడిన Li-రేకు కౌంటర్ ఎలక్ట్రోడ్ ద్వారా పరిమితం చేయబడింది.LTO/nano-SCE/Li సెల్ దాని గరిష్ట సామర్థ్యం 160 mA·hour/gకి చేరుకుంది తక్కువ C-రేటు 0.02C (Fig. 6D).0.1C కంటే పెద్ద C-రేట్లకు 10% కంటే తక్కువ ఉన్న C-రేట్‌తో యాక్సెస్ చేయగల సామర్థ్యం వేగంగా పడిపోతుంది.అదేవిధంగా, LFP/SCE/Li సెల్ 0.01C వద్ద గరిష్టంగా 140 mA·hour/gకి చేరుకుంది (Fig. 6E).ఫిగర్ 6F స్థిరమైన సెల్ కాన్ఫిగరేషన్‌ను ప్రదర్శిస్తూ మొత్తం 30 సైకిళ్లకు రేటు పనితీరును చూపుతుంది.ఈ ప్రయోగాలు Li-ion ఎలక్ట్రోలైట్‌గా నానో-SCE యొక్క కార్యాచరణను మరియు Li-ion కణాలలో ఏకీకరణకు సాధ్యతను ప్రదర్శిస్తాయి.

నానో-SCE యొక్క స్థిరత్వం లేదా సైక్లబిలిటీ Li/SCE/Li సిమెట్రిక్ స్టాక్‌ని ఉపయోగించి పరీక్షించబడింది.ఇది 0.1 mA/cm2 ప్రస్తుత సాంద్రత వద్ద 0.5 గంటల (Fig. 6G) ఎటువంటి సమస్యలు లేదా డెండ్రైట్ ఏర్పడకుండా (Fig. 6H) 120 కంటే ఎక్కువ చక్రాల కోసం సైకిల్ చేయబడింది.ధ్రువణ వోల్టేజ్ కాలక్రమేణా చిన్నదిగా మారింది, ఇది పరిచయం యొక్క మెరుగుదలను సూచిస్తుంది.అంతేకాకుండా, లిథియం డెండ్రైట్‌లు ఏర్పడకుండా లేదా నానో-SCE లేదా ఇంటర్‌ఫేస్ (Fig. 6G) క్షీణించే సంకేతాలు లేకుండా, సెల్ ప్రస్తుత సాంద్రత 0.5 mA/cm2 వరకు ఒత్తిడి చేయబడింది.మెటాలిక్ లిథియం BMP-TFSI-ఆధారిత ILEలలో (27) దాని ఉపరితలంపై రక్షిత ఇంటర్‌ఫేస్ లేయర్ లేదా SEIని ఏర్పరుస్తుంది.ఈ ప్రతిచర్య లిథియం/నానో-SCE ఇంటర్‌ఫేస్‌లో కూడా జరుగుతుంది;అంజీర్ 6A క్రింద చర్చించినట్లుగా, SEI రంధ్రాల లోపల కొంతవరకు పెరగవచ్చు, ILE కంటే నానో-SCEకి అధిక SEI నిరోధకతను వివరిస్తుంది (పైన చూడండి).IR స్పెక్ట్రా (Fig. S9) నుండి SEI లేయర్ కోసం రుజువు పొందబడింది.లిక్విడ్ ఎలక్ట్రోలైట్ నుండి గ్రాఫైట్ ఎలక్ట్రోడ్‌ను తదుపరి ప్రతిచర్యను నివారించకుండా స్క్రీన్‌పై ఉంచే క్లాసికల్ LiBలోని SEI పూత వలె, ఇక్కడ ఉన్న SEI కూడా మెటాలిక్ లిథియం యానోడ్ నుండి తదుపరి ప్రతిచర్య నుండి మంచు నీటి పొరను రక్షిస్తుందని మేము నమ్ముతున్నాము.10 గంటల పాటు Li/nano-SCE (x = 1.5) యొక్క ధ్రువణానికి ముందు మరియు తర్వాత ఇంపెడెన్స్ స్పెక్ట్రా బల్క్ ఎలక్ట్రోలైట్ రెసిస్టెన్స్‌లో ఎటువంటి మార్పును చూపలేదు.లిథియం మెటల్ ద్వారా నానో-SCE నెమ్మదిగా ఎండబెట్టడాన్ని మినహాయించడానికి దీర్ఘ సైక్లింగ్ పనితీరు కొలతలు అవసరమవుతాయి, అయితే ఈ ఫలితాలు ఇప్పటికే లిథియం మెటల్-ఆధారిత సాలిడ్-స్టేట్ బ్యాటరీలలో SCE యొక్క అద్భుతమైన సైక్లబిలిటీకి దాని సామర్థ్యాన్ని చూపుతాయి.అయినప్పటికీ, ఇంటర్‌ఫేస్ ఇంపెడెన్స్‌ను పూర్తిగా మెరుగుపరచడానికి కృత్రిమ ఇంటర్‌ఫేస్ పూతలను పరిగణించవచ్చు.

OH-టెర్మినేటెడ్ సిలికా ఉపరితలాలపై కెమిసోర్బెడ్ వాటర్ లేయర్‌ని ప్రవేశపెట్టడం ద్వారా సిలికా ఇంటర్‌ఫేస్‌ల వద్ద అయాన్ కండక్షన్ ప్రమోషన్‌ను సాధించవచ్చని మేము చూపించాము.సిమెట్రిక్ O═S═O సమూహంతో హైడ్రోజన్ బంధం ద్వారా ఈ నీటి ఫంక్షనల్ పొరపై TFSI అయాన్లు కెమిసోర్బ్.నీటి ఉపరితల పొర కదలకుండా ఉంటుంది మరియు అందువల్ల శోషించబడిన TFSI పొరను కూడా ఉపరితలంపై పిన్ చేస్తుంది.పెద్ద BMP కాటయాన్‌లు TFSI మోనోలేయర్‌తో అనుబంధించబడతాయి, తద్వారా ఉపరితలంపై TFSI-BMP యొక్క పరమాణు క్రమాన్ని పరిచయం చేస్తుంది.సజల వాతావరణంలో నెమ్మదిగా ఉండే జిలేషన్ మరియు నెమ్మదిగా ఆరబెట్టడం అనేది ఫంక్షనల్ వాటర్ లేయర్ మరియు దాని పైన ఆర్గానిక్ అయాన్ల వ్యవస్థీకృత పొర యొక్క సమిష్టిగా ఏర్పడటానికి సహాయపడుతుందని మేము నమ్ముతున్నాము.మొదటి TFSI అయాన్ పొర దాని ప్రతికూల చార్జ్‌లో కొంత భాగాన్ని హైడ్రాక్సిలేటెడ్ సిలికాతో పంచుకుంటుంది కాబట్టి, పైన ఉన్న BMP కేషన్ లేయర్ మరొక TFSI అయాన్‌తో అనుబంధాన్ని కోరుకుంటుంది, దీని ద్వారా బహుళ BMP వారి నష్టపరిహారం లేని ఛార్జ్‌ను ఒక TFSIతో పంచుకోవచ్చు (బహుశా మూడు నుండి ఒకటి వరకు ILEలో IL మరియు Li-TFSI నిష్పత్తి).Li-TFSI ఉప్పు అణువులు దగ్గరి విధానాన్ని కలిగి ఉన్నందున, Li+ అయాన్లు విడదీయబడతాయి మరియు ఈ ఇంటర్‌ఫేస్ లేయర్‌తో పాటు వేగంగా వ్యాప్తి చెందడానికి ఉచితంగా సెట్ చేయబడతాయి.మెరుగైన ప్రసరణ కోసం, ఈ ఉచిత Li+ జాతులు తరలించడానికి కనీసం ఒక అదనపు అయానిక్ ద్రవ పొర అవసరం.ఈ కారణంగా, ILE వాల్యూమ్/సిలికా ఉపరితల వైశాల్యం ఒక క్లోజ్డ్ మోనోలేయర్‌కు మాత్రమే సరిపోతుంది కాబట్టి, తక్కువ x విలువ 0.5తో నానో-SCE మెరుగైన వాహకతను చూపలేదు.

ఘన-వంటి ఉపరితల నీరు లేదా మంచు పొర ఎలెక్ట్రోకెమికల్‌గా చురుకుగా ఉండదని మరింత చూపబడింది.ఈ సమయంలో, ఎలక్ట్రోడ్ ఉపరితలంతో ప్రత్యక్ష సంబంధంలో ఉన్న మంచు నీరు స్పందించడం లేదని మేము మినహాయించలేము.అయినప్పటికీ, ఉపరితల నీటి యొక్క వెలుపలి-వ్యాప్తి నెమ్మదిగా ఉందని మరియు గుర్తించడానికి గతిపరంగా చాలా తక్కువగా ఉందని మేము చూపించాము.నీటి కలుషితం, అది చిన్నది అయినప్పటికీ, ఎల్లప్పుడూ ఆందోళన కలిగిస్తుందని మేము గ్రహించాము మరియు దీర్ఘ జీవిత చక్ర పరీక్షలు మాత్రమే నీరు తగినంతగా కట్టుబడి ఉందా అనే దానిపై ఖచ్చితమైన సమాధానాన్ని అందించగలవు.అయినప్పటికీ, సారూప్యమైన లేదా అంతకంటే పెద్ద ఉపరితల ప్రమోషన్‌ను అందించే ఇతర క్రియాత్మక ఉపరితల పొరలను ఇప్పుడు అభివృద్ధి చేయవచ్చు.ఈ విషయంలో, Li సమూహం ఇప్పటికే ఒక క్రియాత్మక సమూహంగా గ్లైసిడైలోక్సిప్రోపైల్ పొర యొక్క సామర్థ్యాన్ని చూపించింది (18).మంచు నీరు సిలికాకు చెందినది మరియు అందువల్ల ఇక్కడ విజయవంతంగా ప్రదర్శించబడినట్లుగా, అయాన్ ప్రసరణ ప్రమోషన్‌పై ఉపరితల కార్యాచరణ ప్రభావాన్ని క్రమపద్ధతిలో అధ్యయనం చేయడానికి ఆదర్శంగా సరిపోతుంది.అదనంగా, మెసోఫేస్ పొర మరియు దాని ద్విధ్రువ ఆక్సైడ్ మరియు శోషించబడిన సేంద్రీయ అణువులపై ఆధారపడి ఉంటుంది మరియు తద్వారా రెండింటి ద్వారా ట్యూన్ చేయవచ్చు.ప్రయోగశాలలో, వివిధ అయానిక్ ద్రవాలకు అయాన్ ప్రసరణ ప్రచారంలో మేము ఇప్పటికే పెద్ద తేడాలను చూపించాము.ఇంకా, చూపిన సూత్రం అయాన్ కండక్షన్ పట్ల సాధారణమైనది మరియు సోడియం, మెగ్నీషియం, కాల్షియం లేదా అల్యూమినియం అయాన్ బ్యాటరీలకు అనువైన వివిధ అయాన్ సిస్టమ్‌లకు కూడా వర్తించవచ్చు.ముగింపులో, ఇక్కడ చూపిన ఇంటర్‌ఫేస్ కండక్షన్‌తో నానోకంపొజిట్ ఎలక్ట్రోలైట్ అనేది ఒకే పదార్థం కాకుండా ఒక భావన, ఇది అయాన్ ప్రసరణ, రవాణా సంఖ్య, ఎలెక్ట్రోకెమికల్ విండో, భద్రత మరియు భవిష్యత్ బ్యాటరీ సెల్ తరాలకు కావలసిన లక్షణాలకు మరింత (నానో) ఇంజనీర్ చేయవచ్చు. .

నానో-SCE సోల్-జెల్ పద్ధతిని ఉపయోగించి తయారు చేయబడింది.లిథియం బిస్ (ట్రిఫ్లోరోమీథైల్సల్ఫోనిల్)ఇమైడ్ లి-టిఎఫ్ఎస్ఐ;సిగ్మా-ఆల్డ్రిచ్;99.95%), 0.5 ml డీయోనైజ్డ్ H2O, 0.5 ml TEOS (సిగ్మా-ఆల్డ్రిచ్; 99.0%), 1-బ్యూటైల్-1-మిథైల్‌పైరోలిడినియం బిస్(ట్రిఫ్లోరోమీథైల్సల్ఫోనిల్)ఇమైడ్ (BMP-TFSI; సిగ్మా-ఆల్డ్రిచ్), మరియు 9815%; PGME యొక్క ml ఒక గాజు సీసాలో కలపబడింది.మిశ్రమంలో [BMP][TFSI] మరియు TEOS మధ్య మోలార్ నిష్పత్తి, x 0.25 మరియు 2 మధ్య మారుతూ ఉంటుంది. Li[TFSI] మరియు [BMP][TFSI] యొక్క మోలార్ నిష్పత్తి 0.33:1 వద్ద నిర్ణయించబడింది.Li[TFSI] మరియు [BMP][TFSI] మొత్తాలు ఈ నిష్పత్తుల నుండి నిర్ణయించబడ్డాయి.ఉదాహరణకు, x = 1 అయినప్పుడు, ద్రావణంలో జోడించిన [BMP][TFSI] మరియు Li[TFSI] వరుసగా 0.97 మరియు 0.22 గ్రా.మోనోఫాసిక్ పరిష్కారాలను రూపొందించడానికి మిశ్రమాలను 1 నిమిషం పాటు కదిలించారు.ఈ పరిష్కారాలు ఉష్ణోగ్రత మరియు తేమ-నియంత్రిత చాంబర్ (SH-641, ESPEC కార్పోరేషన్)లో ఉష్ణోగ్రత మరియు RH% వరుసగా 25 ° C మరియు 50% వద్ద సెట్ చేయబడిన జెల్‌లను ఏర్పరచడానికి కదిలించకుండా మూసి ఉన్న సీసాలలో నిల్వ చేయబడతాయి.xపై ఆధారపడి, మిశ్రమాలు స్పష్టమైన జెల్‌ను రూపొందించడానికి సగటున 5 నుండి 9 రోజులు పట్టాయి.జిలేషన్ తర్వాత, 2.4- నుండి 7.4-ml జెల్‌తో ఉన్న కుండలు మొదట 40 ° C వద్ద కొద్దిగా తగ్గిన పీడనం (80 kPa) వద్ద నాలుగు పూర్తి రోజుల పాటు ఎండబెట్టి, ఆపై 25 ° C వద్ద 72 గంటల పాటు వాక్యూమ్ ఓవెన్‌లోకి తరలించబడ్డాయి.మిగిలిన తేమ తొలగించబడినందున, వాక్యూమ్ 50 Pa చుట్టూ ఉన్న ప్రారంభ పీడనం నుండి 1 రోజు తర్వాత 5 Pa యొక్క తుది స్థిరమైన పీడనానికి క్రమంగా తగ్గింది.పెద్ద మొత్తంలో నీరు మరియు PGME తీసివేయవలసి ఉన్నందున, ఫలితంగా వచ్చిన SCE గుళికలు అసలు జెల్ వాల్యూమ్‌లో 20% (x = 0.5) నుండి ~50% (x = 2)కి తగ్గిపోయాయి.ఫలితంగా వచ్చే జెల్‌ల బరువును సెమీమైక్రో బ్యాలెన్స్ (SM 1245Di-C, VWR)తో కొలుస్తారు.

TGA నైట్రోజన్ కింద Q5000 IR (TA ఇన్‌స్ట్రుమెంట్స్, న్యూ కాజిల్, DE, USA)పై ప్రదర్శించబడింది.కొలత సమయంలో, నమూనాలను 2 ° C / min తాపన రేటుతో 700 ° C కు వేడి చేస్తారు.FTIR స్పెక్ట్రోమెట్రీ ఒక ప్రసార మోడ్‌లో 4000 నుండి 400 cm−1 వరకు తరంగ సంఖ్యలో బ్రూకర్ వెర్టెక్స్ 70ని ఉపయోగించి చేయబడింది.అతను మైక్రోమెరిటిక్స్ AccuPyc II 1340ని ఉపయోగించి పైక్నోమెట్రీ చేసాడు.

అయానిక్ కండక్టివిటీని కొలవడానికి, ఆర్-ఫిల్డ్ గ్లోవ్ బాక్స్ (0.1-ppm H2O మరియు 0.1-ppm O2) లోపల ఉన్న మదర్ సీసా నుండి SCE యొక్క చిన్న వాల్యూమ్ తీసుకోబడింది.4.34-మిమీ లోపలి వ్యాసం మరియు 1.57-మిమీ ఎత్తుతో పాలిటెట్రాఫ్లోరోఎథిలిన్ (PTFE) రింగ్‌లో సుమారు 23 μl SCE నింపబడి, ఒక గుళికను ఏర్పరుస్తుంది.రింగ్‌లోని గుళిక రెండు స్టెయిన్‌లెస్ స్టీల్ (SS) డిస్క్‌ల మధ్య (0.2 మిమీ మందం; MTI) శాండ్‌విచ్ చేయబడింది.1 MHz నుండి 1 Hz వరకు ఫ్రీక్వెన్సీ పరిధిలో 5 mV యొక్క AC వ్యాప్తితో PGSTAT302 (Metrohm) ఉపయోగించి ఇంపెడెన్స్ కొలతలు జరిగాయి.అయాన్ వాహకత (σi) నైక్విస్ట్ ప్లాట్‌లలోని నిజమైన అక్షంతో అధిక-ఫ్రీక్వెన్సీ ఇంటర్‌సెప్ట్ నుండి నిర్ణయించబడింది.వాహకత కొలత తర్వాత, నానో-SCE గుళిక గ్లోవ్ బాక్స్‌లో మరింత పొడిగా ఉండటానికి అనుమతించబడింది.ఉష్ణోగ్రత ఆధారపడటం కొలత కోసం, SS/SCE/SS స్టాక్‌లు కాయిన్ సెల్‌లో సీలు చేయబడ్డాయి.సీలింగ్ తర్వాత, వాహకత చాలా రోజులు స్థిరంగా ఉంటుంది (అత్తి S3 చూడండి).కాయిన్ సెల్ యొక్క ఉష్ణోగ్రత పని మాధ్యమంగా H2O/ఇథిలీన్ గ్లైకాల్‌ను ఉపయోగించి థర్మల్ బాత్‌తో థర్మల్ జాకెట్‌తో నియంత్రించబడుతుంది.కణాలు మొదట −15°Cకి చల్లబడి, దశలవారీగా 60°Cకి వేడిచేయబడతాయి.

ప్రతి నానో-SCE గుళికల నుండి, నియంత్రిత తేమతో నేరుగా N2-నిండిన గ్లోవ్ బాక్స్ లోపల విద్యుత్ కొలతల కోసం సుమారు 23 μl రింగ్ (4.34-మి.మీ లోపలి వ్యాసం మరియు 1.57-మి.మీ ఎత్తు)లోకి తీసుకురాబడింది.SCEతో ఉన్న రింగ్ రెండు SS డిస్క్‌ల మధ్య (0.2 mm మందపాటి; MTI) శాండ్‌విచ్ చేయబడింది.5 mV యొక్క AC వ్యాప్తి మరియు Nova సాఫ్ట్‌వేర్ ద్వారా నియంత్రించబడే 1 MHz నుండి 1 Hz వరకు ఉండే ఫ్రీక్వెన్సీతో PGSTAT302 (Metrohm)ని ఉపయోగించి ఇంపెడెన్స్ కొలతలు జరిగాయి.స్థిరీకరణ వరకు వాహకతను పర్యవేక్షించే ముందు నమూనాలను ప్రతి RH% విలువ వద్ద 48 గంటల పాటు ఉంచారు.ఇచ్చిన RH% విలువ (σi) కోసం స్థిరీకరించబడిన అయానిక్ కండక్టివిటీ నైక్విస్ట్ ప్లాట్‌లలోని నిజమైన అక్షంతో అధిక-ఫ్రీక్వెన్సీ ఇంటర్‌సెప్ట్ నుండి నిర్ణయించబడుతుంది.

అన్ని ఎలక్ట్రోకెమికల్ కొలతలు మరియు సంబంధిత నమూనా తయారీ ఎలక్ట్రోకెమికల్ క్యారెక్టరైజేషన్‌ల కోసం అంకితం చేయబడిన ఆర్గాన్-నిండిన గ్లోవ్ బాక్స్‌లో (ప్యూర్‌ల్యాబ్, PL-HE-4GB-1800; <1-ppm O2 మరియు H2O స్థాయిలు) చేయబడ్డాయి.

Li[BMP][TFSI] ILEతో మరియు లేకుండా గుళికల యొక్క పదనిర్మాణం 1.5 నుండి 2.0 kV వద్ద థర్మో ఫిషర్ సైంటిఫిక్ అప్రియో సాధనాన్ని ఉపయోగించి SEMతో తనిఖీ చేయబడింది, దీని ద్వారా T1 మరియు T2 డిటెక్టర్‌ను సమాంతరంగా ఉపయోగించి డ్యూయల్-డిటెక్టర్ ఇమేజింగ్ మోడ్‌లో పనిచేస్తుంది. లైవ్-ఇమేజ్ సర్దుబాట్లు, మరియు T2 డిటెక్టర్ చూపిన SEM ఇమేజ్‌లను రికార్డ్ చేయడానికి ఉపయోగించబడింది;నమూనా కార్బన్ వాహక టేప్‌పై పరిష్కరించబడింది.TEM 300 kV వద్ద పనిచేసే Tecnaiని ఉపయోగించి చేయబడింది.

SCE గుళికల నుండి ILE రెండు విభిన్న మార్గాల్లో తీసివేయబడింది.Li[BMP][TFSI] ILEని సంగ్రహించడానికి SCEని 12 గంటల పాటు అసిటోన్‌లో ముంచడం ద్వారా పోరస్ సిలికాను పొందేందుకు ఒక ఎంపిక చేయబడింది.ఈ శుభ్రం చేయు మూడు సార్లు పునరావృతం చేయబడింది.SCEని ఇథనాల్‌లో నానబెట్టడం ద్వారా మరొక ఎంపిక.ఈ సందర్భంలో, లిక్విడ్ CO2 క్రిటికల్ పాయింట్ డ్రైయర్ ఉపయోగించి ఇథనాల్ తొలగించబడింది.

సూపర్ క్రిటికల్ డ్రైయింగ్ కోసం రెండు వేర్వేరు ఉపకరణాలు ఉపయోగించబడ్డాయి, అవి ఆటోమెగాసమ్ాద్రి-916B, టౌసిమిస్ (పద్ధతి 1) మరియు JASCO కార్పొరేషన్ ద్వారా అనుకూల-నిర్మిత సాధనం (పద్ధతి 2).మొదటి సాధనాన్ని ఉపయోగిస్తున్నప్పుడు, ఎండబెట్టడం క్రమం 8 ° C వరకు ఉష్ణోగ్రత తగ్గడంతో ప్రారంభమైంది.తదనంతరం, ఛాంబర్ ద్వారా CO2 ప్రక్షాళన చేయబడింది, ఒత్తిడిని 5.5 MPaకి పెంచింది.కింది దశలో, CO2ను 41°Cకి వేడి చేసి, ఒత్తిడిని 10 MPaకి పెంచి, 5 నిమిషాలు అలాగే ఉంచారు.ముగింపులో, రక్తస్రావం దశలో, 10 నిమిషాల వ్యవధిలో ఒత్తిడి తగ్గించబడింది.కస్టమ్ బిల్ట్ సాధనాన్ని ఉపయోగిస్తున్నప్పుడు, ఇదే క్రమాన్ని అనుసరించారు.అయితే, సమయం మరియు ఒత్తిళ్లు గణనీయంగా భిన్నంగా ఉన్నాయి.ప్రక్షాళన దశ తర్వాత, ఒత్తిడి 70 ° C ఉష్ణోగ్రత వద్ద 12 MPaకి పెరిగింది మరియు 5 నుండి 6 గంటల వరకు అలాగే ఉంటుంది.తదనంతరం, ఒత్తిడి వరుసగా 10, 60 మరియు 10 నిమిషాల వ్యవధిలో 12 నుండి 7 MPa, 7 నుండి 3 MPa మరియు 3 నుండి 0 MPa వరకు తగ్గింది.

మైక్రోమెరిటిక్స్ 3ఫ్లెక్స్ సర్ఫేస్ క్యారెక్టరైజేషన్ ఎనలైజర్‌ని ఉపయోగించి నైట్రోజన్ ఫిజిసోర్ప్షన్ ఐసోథెర్మ్‌లను T = 77 K వద్ద కొలుస్తారు.పొందిన పోరస్ సిలికా 0.1-mbar వాక్యూమ్‌లో 100 ° C వద్ద 8 గంటలపాటు వాయువుతో నిండిపోయింది.సూపర్ క్రిటికల్ డ్రైయింగ్ నుండి ఉత్పన్నమైన పోరస్ సిలికా 0.1-mbar వాక్యూమ్ కింద 120°C వద్ద 18 గంటలపాటు వాయువుతో నిండిపోయింది.తరువాత, మైక్రోమెరిటిక్స్ ట్రైస్టార్ 3000 ఆటోమేటెడ్ గ్యాస్ అడ్సార్ప్షన్ ఎనలైజర్‌ని ఉపయోగించి నైట్రోజన్ ఫిజిసార్ప్షన్ ఐసోథర్మ్‌లను T = 77 K వద్ద కొలుస్తారు.

PFG-NMR కొలతలు JEOL JNM-ECX400 ఉపయోగించి జరిగాయి.స్టిమ్యులేటెడ్ ఎకో పల్స్ సీక్వెన్స్ వ్యాప్తి కొలతల కోసం ఉపయోగించబడింది.సాధారణీకరించిన ఎకో సిగ్నల్ అటెన్యుయేషన్, E, సమీకరణంలో వివరించబడింది (38)E=exp(-γ2g2δ2D(Δ−δ/3))(1)ఇక్కడ g అనేది గ్రేడియంట్ పల్స్ యొక్క బలం, δ అనేది ప్రవణత యొక్క వ్యవధి. పల్స్, ∆ అనేది గ్రేడియంట్ పల్స్ యొక్క లీడింగ్ అంచుల మధ్య విరామం, γ అనేది మాగ్నెటోజిరిక్ రేషియో, మరియు D అనేది అణువుల స్వీయ-వ్యాప్తి గుణకం.Eqతో ∆ని మార్చడం ద్వారా పొందిన ప్రతిధ్వని సంకేతాలను అమర్చడం ద్వారా స్వీయ-వ్యాప్తి గుణకాలు అంచనా వేయబడ్డాయి.1. లిథియం అయాన్ యొక్క వ్యాప్తి గుణకాన్ని నిర్ణయించడానికి 7Li ఎంపిక చేయబడింది.అన్ని కొలతలు 30 ° C వద్ద జరిగాయి.

రామన్ స్పెక్ట్రోస్కోపీ సెటప్ అనేది 458-nm లేజర్ ఎక్సైటేషన్ లైట్‌కి ట్యూన్ చేయగల ఆర్గాన్ అయాన్‌ను ఉపయోగించి ఇంట్లో తయారు చేసిన సిస్టమ్, ఇది విలోమ ఒలింపస్ IX71 మైక్రోస్కోప్‌తో జతచేయబడింది మరియు వెనుక-చెదురుగా ఉన్న కాంతిని ట్రైవిస్టా ట్రిపుల్ స్పెక్ట్రోమీటర్ సెటప్ (ప్రిన్స్‌టన్ ఇన్‌స్ట్రుమెంట్స్) ద్వారా పంపారు. ), ఇది లిక్విడ్ నైట్రోజన్-కూల్డ్ ఛార్జ్-కపుల్డ్ డివైస్ కెమెరాను ఉపయోగించి గుర్తించబడిన ఆప్టికల్ సిగ్నల్‌లను చెదరగొట్టడానికి ఉపయోగించబడింది.ఈ తరంగదైర్ఘ్యాల వద్ద అధిక ఆప్టికల్ శోషణ కారణంగా, లేజర్ హీటింగ్ (<100 W·cm−2)ను నివారించడానికి సాపేక్షంగా తక్కువ లేజర్ శక్తులు ఉపయోగించబడ్డాయి.

DFT గ్రౌండ్-స్టేట్ జ్యామితి ఆప్టిమైజేషన్ మరియు విశ్లేషణాత్మక పౌనఃపున్య గణనలు జనాదరణ పొందిన B3LYP హైబ్రిడ్ ఫంక్షనల్ మరియు 6-311++G** బేసిస్ సెట్‌ను ఉపయోగించాయి, బెక్-జాన్సన్ డంపింగ్ స్కీమ్ (D3BJ)తో గ్రిమ్మ్ యొక్క అటామ్-పెయిర్‌వైస్ డిస్పర్షన్ కరెక్షన్ (39)తో. ORCA 3.0.3 (40)లో అమలు చేయబడింది.రామన్ స్పెక్ట్రా ORCAని ఉపయోగించి అనుకరించబడింది మరియు ORCA-మద్దతు ఉన్న నవీకరణతో అవగాడ్రో సాఫ్ట్‌వేర్ ప్యాకేజీ (41)ని ఉపయోగించి పరమాణు లక్షణాల విజువలైజేషన్ సాధించబడింది.

అన్ని ఎలక్ట్రోకెమికల్ కొలతలు మరియు సంబంధిత నమూనా తయారీ ఎలక్ట్రోకెమికల్ క్యారెక్టరైజేషన్‌ల కోసం అంకితం చేయబడిన ఆర్గాన్-నిండిన గ్లోవ్ బాక్స్‌లో (ప్యూర్‌ల్యాబ్, PL-HE-4GB-1800; <1-ppm O2 మరియు H2O స్థాయిలు) చేయబడ్డాయి.SCE గుళికను ఒక లి రిబ్బన్‌పై ఉంచారు (సిగ్మా-ఆల్డ్రిచ్; 99.9%) కౌంటర్ ఎలక్ట్రోడ్‌గా ఒక రాగి ప్లేట్‌పై మద్దతివ్వబడింది మరియు సూచన మరియు పని కోసం SCE గుళికల పైన రెండు పంచ్డ్ లి డిస్క్‌లు (5-మిమీ వ్యాసం) ఉంచబడ్డాయి. ఎలక్ట్రోడ్లు.సెటప్ అంజీర్లో చూపబడింది.S7.లిథియం సూచన మరియు పని చేసే ఎలక్ట్రోడ్‌లను సంప్రదించడానికి గోల్డ్ పిన్స్ ఉపయోగించబడ్డాయి.నోవా సాఫ్ట్‌వేర్ ద్వారా నియంత్రించబడే PGSTAT302 (Metrohm)ని ఉపయోగించి సైక్లిక్ వోల్టామెట్రీ మరియు ఇంపెడెన్స్ కొలతలు జరిగాయి.20 mV/s స్కాన్ రేటుతో సైక్లిక్ వోల్టామెట్రీ చేయబడింది.ఇంపెడెన్స్ కొలతలు 5 mV యొక్క AC వ్యాప్తి మరియు 1 MHz నుండి 0.1 Hz వరకు ఫ్రీక్వెన్సీతో జరిగాయి.

40-nm అనాటేస్ TiO2 థిన్-ఫిల్మ్ ఎలక్ట్రోడ్ 300-మిమీ సిలికాన్ పొరపై అటామిక్ లేయర్ డిపాజిషన్ (ALD) ద్వారా నిక్షిప్తం చేయబడింది, 40-nm TiN అండర్‌లేయర్‌తో ALD ద్వారా కూడా జమ చేయబడింది.సైక్లింగ్ సమయంలో TiO2 రసాయన క్షీణత లేదా యాంత్రిక ఒత్తిడి (గణనీయమైన వాల్యూమ్ మార్పు) నుండి బాధపడదు కాబట్టి, ఎలక్ట్రోలైట్‌ల ద్వారా Li-ion వాహకతను ప్రదర్శించడానికి ఇది ఒక అద్భుతమైన పరీక్షా ఎలక్ట్రోడ్.Li/SCE/TiO2 సెల్‌ను కొలవడానికి, ILE-SCEలు PTFE రింగ్‌లో 4.3 mm వ్యాసం మరియు 0.15 cm మందంతో నింపబడ్డాయి;అప్పుడు, ఉంగరం ఒక లి రేకు మరియు TiO2 ఫిల్మ్‌కి మధ్య శాండ్‌విచ్ చేయబడింది.

నానో-SCE/సన్నని-ఫిల్మ్ ఎలక్ట్రోడ్ హాఫ్ స్టాక్‌లు, LMO ఎలక్ట్రోడ్‌తో, ఎలక్ట్రోడ్‌లపై నానో-SCE ఫిల్మ్‌ను సింథసైజ్ చేయడం ద్వారా రూపొందించబడ్డాయి.మొత్తం 150 μl x = 1.5 ద్రావణం, 2 రోజుల వయస్సులో, ఎలక్ట్రోలైట్ ఫిల్మ్‌లపై అమర్చబడిన గ్లాస్ రింగ్ (వ్యాసం, 1.3 మిమీ)లో డ్రాప్-కాస్ట్ చేయబడింది.అప్పుడు రింగ్ పారాఫిల్మ్‌తో మూసివేయబడింది మరియు ద్రావణాన్ని 4 రోజులు జెల్ చేయడానికి అటువంటి సీలు చేసిన కంటైనర్‌లో ఉంచారు.నానో-SCE/ఎలక్ట్రోడ్ స్టాక్‌లను రూపొందించడానికి ఏర్పడిన జెల్/ఎలక్ట్రోడ్ స్టాక్‌ను ఎండబెట్టారు.మైక్రోమీటర్ ఉపయోగించి నిర్ణయించబడిన నానో-SCE యొక్క మందం 300 μm.చివరగా, నానో-SCE/ఎలక్ట్రోడ్ స్టాక్‌పై యానోడ్‌గా లిథియం ఫాయిల్ (1.75 మిమీ మందం, 99.9%; సిగ్మా-ఆల్డ్రిచ్) నొక్కబడింది.100-nm LiMn2O4 (LMO) థిన్-ఫిల్మ్ ఎలక్ట్రోడ్ 80-nm Pt (DC స్పుట్టరింగ్)/10-nm TiN (ALD) అండర్‌లేయర్‌లతో పూసిన సిలికాన్ పొరపై Ar ఫ్లో కింద రేడియో ఫ్రీక్వెన్సీ స్పుట్టరింగ్ ద్వారా జమ చేయబడింది.ఈ స్టాక్ ఆక్సిజన్ వాతావరణంలో 800 ° C వద్ద 20 నిమిషాలు ఎనియల్ చేయబడింది.

LiFePO4 (LFP) ఎలక్ట్రోడ్ ఫిల్మ్‌లు బ్లేడ్ పూత ద్వారా తయారు చేయబడ్డాయి.మొదట, కార్బన్ బ్లాక్ మరియు LFP (2 నుండి 3 μm) కార్బాక్సిమీథైల్ సెల్యులోజ్ (CMC) కలిగిన సజల ద్రావణంలో జోడించబడ్డాయి, ఇది ఒక గ్రహ మిక్సర్ ఉపయోగించి సజాతీయంగా ఏర్పడిన మిశ్రమాన్ని ఏర్పరుస్తుంది.అప్పుడు, సజాతీయ ఉత్పత్తిని డీయోనైజ్డ్ నీరు మరియు ఒక వాక్యూమ్ మిక్సర్‌లో ఫ్లోరినేటెడ్ యాక్రిలిక్ రబ్బరు పాలు (JSR, TRD202A)తో కలిపి ఎలక్ట్రోడ్ పూత కోసం స్లర్రీని ఏర్పరుస్తుంది.బ్లేడ్ కోటర్‌ని ఉపయోగించి ఎలక్ట్రోడ్ ఫిల్మ్‌లను జమ చేయడానికి సిద్ధం చేసిన స్లర్రీని అల్యూమినియం ఫాయిల్‌లపై పోస్తారు.ఈ పూతతో కూడిన వెట్ ఎలక్ట్రోడ్‌లు 10 నిమిషాల పాటు 70 ° C వద్ద స్తబ్దత ఉన్న గాలితో వాతావరణ ఓవెన్‌లో వెంటనే ప్రిడ్రైడ్ చేయబడ్డాయి మరియు వాక్యూమ్ ఓవెన్‌లో 4 గంటల పాటు 140 ° C వద్ద ఆరబెట్టబడతాయి.ఎండిన ఎలక్ట్రోడ్ ఫిల్మ్‌లలో 91 wt % LiFePO4, 3 wt % కార్బన్ బ్లాక్, 2 wt % CMC మరియు 4 wt % TRD202A ఉన్నాయి.ఫిల్మ్ మందం 30 μm (మైక్రోమీటర్ మరియు స్కానింగ్ ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోప్ ఉపయోగించి నిర్ణయించబడుతుంది).

Li4Ti5O12 (LTO) ఎలక్ట్రోడ్ ఫిల్మ్‌లు అదే విధంగా రాగి రేకులపై తయారు చేయబడ్డాయి.ఎండిన ఎలక్ట్రోడ్ల కూర్పు 85 wt % Li4Ti5O12, 5 wt % కార్బన్ బ్లాక్, 5 wt % CMC, మరియు 5 wt % ఫ్లోరినేటెడ్ యాక్రిలిక్ రబ్బరు పాలు (TRD2001A).ఫిల్మ్ మందం 40 μm.

SCE యొక్క పరిష్కారం కణ-ఆధారిత LFP మరియు LTO ఎలక్ట్రోడ్ ఫిల్మ్‌పై డ్రాప్-కాస్ట్ చేయబడింది.మొదట, 100 μl x = 1.5 ద్రావణం, 2 రోజుల వయస్సులో, ఒక ఎలక్ట్రోడ్ ఫిల్మ్‌పై డ్రాప్-కాస్ట్ చేయబడింది, దీని వ్యాసం 15 మిమీ, కాయిన్ సెల్‌లో ఉంచబడింది (#2032, MTI).కలిపిన SCE జెల్ చేయబడిన తర్వాత, నానో-SCE మరియు ఎలక్ట్రోడ్ స్టాక్‌ను తయారు చేయడానికి ఫిల్మ్‌ను వాక్యూమ్ ఓవెన్‌లో (<5 × 10−2 mbar) 72 గంటల పాటు 25°C వద్ద ఎండబెట్టారు.నానో-SCE మందం 380 μm.చివరగా, ఒక లిథియం రేకు SCE/ఎలక్ట్రోడ్ స్టాక్‌లపై యానోడ్‌గా నొక్కబడింది మరియు కాయిన్ సెల్ సీలు చేయబడింది.గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద సోలార్ట్రాన్ 1470E పొటెన్షియోస్టాట్ ఉపయోగించి ఎలెక్ట్రోకెమికల్ కొలతలు జరిగాయి.

ఈ కథనం కోసం అనుబంధ మెటీరియల్ http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/2/eaav3400/DC1లో అందుబాటులో ఉంది

పట్టిక S1.N2 శోషణం/నిర్జలీకరణం లేదా BET కొలతలు మరియు TEM పరిశీలనల నుండి అయానిక్ ద్రవం యొక్క మోలార్ భిన్నాన్ని సిలికా (x విలువ)కి పెంచడానికి నానో-SCEలో సిలికా మ్యాట్రిక్స్ యొక్క నిర్మాణ లక్షణాలు.

ఇది క్రియేటివ్ కామన్స్ అట్రిబ్యూషన్-నాన్ కమర్షియల్ లైసెన్స్ నిబంధనల ప్రకారం పంపిణీ చేయబడిన ఓపెన్-యాక్సెస్ కథనం, ఇది ఏ మాధ్యమంలోనైనా ఉపయోగం, పంపిణీ మరియు పునరుత్పత్తిని అనుమతిస్తుంది, ఫలితంగా ఉపయోగం వాణిజ్య ప్రయోజనం కోసం కాదు మరియు అసలు పని సరిగ్గా ఉంటే ఉదహరించారు.

గమనిక: మేము మీ ఇమెయిల్ చిరునామాను మాత్రమే అభ్యర్థిస్తాము, తద్వారా మీరు పేజీని సిఫార్సు చేస్తున్న వ్యక్తి మీరు దానిని చూడాలనుకుంటున్నారని మరియు అది జంక్ మెయిల్ కాదని తెలుసుకుంటారు.మేము ఏ ఇమెయిల్ చిరునామాను క్యాప్చర్ చేయము.

ఈ ప్రశ్న మీరు మానవ సందర్శకులా కాదా అని పరీక్షించడానికి మరియు స్వయంచాలక స్పామ్ సమర్పణలను నిరోధించడానికి.

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, Philipen Mickenipe Meesda

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, Philipen Mickenipe Meesda

© 2020 అమెరికన్ అసోసియేషన్ ఫర్ ది అడ్వాన్స్‌మెంట్ ఆఫ్ సైన్స్.అన్ని హక్కులు ప్రత్యేకించబడ్డాయి.AAAS HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef మరియు COUNTERకి భాగస్వామి. సైన్స్ అడ్వాన్సెస్ ISSN 2375-2548.