Elektrod-polymergränssnitt kan diktera egenskaper hos tunna filmer inklusive deras kapacitans, elektriskt fält, och ladda transport, men forskare återstår för att fullt ut förstå deras gränssnittsdynamik. I en ny rapport om Vetenskapens framsteg , Rajiv Kumar, och ett team av tvärvetenskapliga forskare i USA och Polen undersökte elektrifierade gränssnitt av en imidazoliumbaserad polymeriserad jonisk vätska (PolyIL) för att förstå de elektriska fältinducerade transformationerna vid elektrod-polymergränssnittet. För att uppnå detta, de använde kombinationer av bredbandsdielektrisk spektroskopi (BDS), spegel neutronreflektivitet och simuleringar av molekylär dynamik. Kapacitansen berodde på den applicerade spänningen, som härrörde från svaren från ett adsorberat polymerskikt. Arbetet kommer att ge insikt i funktioner som påverkar strukturen och egenskaperna hos elektrod-polymergränssnitt för att designa nästa generations energilagrings- och skördanordningar.

Det elektriska dubbelskiktet (EDL) är en universell egenskap hos elektrifierade gränssnitt som är gemensamma för alla joniska material som spontant bildas för att lagra elektrisk energi i enheter som superkondensatorer. Forskare strävar efter att förstå sambanden mellan strukturen och egenskaperna hos EDL för att kontrollera enhetens egenskaper, inklusive kapacitansen hos elektrokemiska lagringsenheter, och laddnings- och urladdningshastigheter för batterier. Forskning under de senaste två decennierna har fokuserat på att förstå de strukturella förändringarna av EDL i ett applicerat elektriskt fält i förhållande till laddningslagringsegenskaper. Resultaten har indikerat ett samspel mellan elektrostatik och trängseleffekter för att vara ansvarig för anatomin hos EDL i joniska vätskor (IL). Dock, relativt lite är känt om kapacitansen för polymerelektrolyter såsom polymeriserade joniska vätskor (PolyIL) som bildar lovande lösningsmedelsfria organiska elektrolyter för applikationer i batterier, solceller, ställdon och superkondensatorer. PolyILs har också avstämbara mekaniska egenskaper med hög stabilitet och är icke brandfarliga.

När en förspänning appliceras över en jonisk vätska, forskare förväntar sig att katjonerna ska migrera mot den negativa elektroden och anjonerna att migrera mot den positivt laddade elektroden för att bilda ett EDL (elektriskt dubbelskikt) på båda elektroderna. Dock, strukturen för en EDL i PolyILs är för närvarande inte klar, även om simuleringar av molekylär dynamik har gett insikter med varierande resultat för joniska vätskor. Kumar et al. undersökte därför gränssnitten mellan elektrod och polymer hos en positivt laddad imidazoliumbaserad PolyIL med bis(trifluormetan)sulfonimid som motjoner. De använde kombinationer av bredbands dielektrisk spektroskopi (BDS) och modellerade elektrodpolarisationsfenomenen via Rayleighian-metoden för att erhålla kapacitansen hos elektrod-polymergränssnitt och använde informationen för att förbättra enhetens lagringsegenskaper.

Bredbands dielektriska spektroskopimätningar

Teamet erhöll representativa bredbandsdielektrisk spektroskopi (BDS) mätningar vid olika frekvenser i förhållande till den applicerade likströmsspänningen (DC). Med hjälp av det experimentella protokollet, de varierade den applicerade spänningen för att erhålla spektra som innehåller tre olika regioner. Vanligtvis kan forskare bestämma tjockleken på adsorberade och diffusa skikt och kapacitans via impedansspektroskopi och genom att montera med likvärdiga elektriska kretsmodeller. Även om det är användbart, den fysiska tolkningen av extraherade kvantiteter baserat på likvärdiga kretsar kan innebära utmaningar. Kumar et al. använde därför en elektrodpolarisationsmodell för att extrahera kapacitansen från BDS-spektra baserat på en tidigare utarbetad Rayleighian-metod.

De antog sedan att varje elektrod i modellen skulle ha ett lager av lågdielektriskt material i kontakt med polymerfilmen med enhetlig statisk dielektricitetskonstant. Teamet använde modellen för att tolka kinetiken för laddning i liknande PolyIL baserat på spektroskopimätningar, som överensstämde utmärkt med pulsfältsgradient-kärnmagnetisk resonans (PFG-NMR)-baserade mätningar. Med hjälp av modellen, forskarna extraherade den uppenbara tjockleken på det lågdielektriska skiktet och längdskalan för ömsesidig diffusion för PolyIL-filmerna. Tjockleken på det låga dielektriska skiktet hade ett icke-monotoniskt beroende av den applicerade spänningen, som ökade med den ökande likspänningen.

Kapacitans-spänningskurvor

Teamet erhöll kamelformade kapacitans-spänningskurvor med likheter med de som förutspåddes i atomistisk molekylär dynamiksimuleringar av joniska vätskor på grova ytor. Både kisel- och metallelektrodytorna som användes i studien hade föradsorberade skikt vars spänningsberoende dikterade kapacitansen. Förändringar i den applicerade spänningen transformerade därför det adsorberade skiktet för att bestämma kapacitans-spänningsförhållandet, betonar vikten av det föradsorberade lagrets kvalitet och kemi för att designa effektiva energilagringsenheter. Teamet använde en minimal modell med förenklade antaganden och numeriska ekvationer härledda i studien för att konstruera kapacitans-spänningsrelationerna från BDS-mätningar.

På det här sättet, Rajiv Kumar and colleagues studied electrode PolyIL (polymerized ionic liquid) surfaces with broadband dielectric spectroscopy measurements, neutron reflectometry and modelling based approaches. They noted the presence of a pre-adsorbed layer at the electrode, which dictated the measured impedance and capacitance of the electrode-PolyIL interfaces. They expect the pre-adsorbed layer of the electrode polarization model to be present in most other films containing similarly charged PolyILs and substantially contribute to the capacitance. The scientists expect the phenomenon to improve energy storage and harvesting device applications.

© 2020 Science X Network