Wpływ dodatku związków chiralnych na właściwości

Wpływ dodatku związków chiralnych
na właściwości elektrochemiczne
stałych elektrolitów polimerowych
Piotr Jankowski
Kierujący pracą:
dr inż. Grażyna Zofia Żukowska
Opiekun naukowy:
dr inż. Michał Kalita
Wprowadzenie
Wtórne baterie litowe stanowią obecnie bardzo popularna formę magazynowania
energii. Wykorzystywane są w wielu przenośnych urządzeniach elektronicznych.
Zapotrzebowanie na baterie tego typu najprawdopodobniej jeszcze wzrośnie
wraz z popularyzacją samochodów elektrycznych, w których także mogą znaleźć
zastosowanie.
Obecnie stosowane baterie wykorzystują elektrolit ciekły, którym zwilżany
jest separator. Posiadają one jednakże wiele wad, m.in. ryzyko wycieku obecnych
w nim substancji, które mogą być toksyczne jako takie albo być prekursorami substancji
toksycznych. Dlatego też od wielu lat trwają prace nad mającymi je zastąpić stałymi
elektrolitami polimerowymi (SPE). Ograniczeniem uniemożliwiającymi obecnie
na ich zastosowanie komercyjne są niska przewodność jonowa i liczba przenoszenia
kationów litu. Podejmowano liczne próby modyfikacji SPE m.in. sieciowanie łańcuchów
polimerowych, stosowanie kopolimerów, dodatek plastyfikatorów lub napełniaczy
ceramicznych [1]. Omówiona w pracy metoda modyfikacji polega na organizacji struktury
elektrolitu stałego poprzez dodatek związku chiralnego [2].
Wyniki i dyskusja
W pierwszym etapie pracy udowodniono wpływ czystości enancjomerycznej
na właściwości fizykochemiczne elektrolitu ciekłego, w tym zdolność układu
do krystalizacji, badając roztwory oparte na węglanie propylenu (PC). W tym celu
wykorzystano pomiary kalorymetryczne (DSC) oraz spektroskopowe (FT-IR w szerokim
zakresie temperatur).
W kolejnym etapie zbadano wpływ dodatku chiralnego węglanu propylenu
na właściwości membran na bazie poli(tlenku etylenu) PEO, domieszkowanych solą
LiSO3CF3 (LiTf). Nie zaobserwowano jednak oczekiwanych zmian przewodności,
co było spowodowane niekompatybilnością plastyfikatora i użytego polimeru.
Jak wykazały badania tych membran metodami DSC oraz spektroskopią Ramana,
nie zawierały one węglanu propylenu, który prawdopodobnie odparował na etapie
ich otrzymywania.
Ostatnimi zbadanymi układami były elektrolity na bazie PEO oraz soli o anionie
zawierającym chiralny atom węgla, (1-fenyloetylo)(trifluorometanosulfonylo)amidku litu
(LiBMA). Właściwości przygotowanych membran zbadano przy użyciu różnych metod
(DSC, spektroskopia Ramana, spektroskopia impedancyjna czy woltamperometria
cykliczna). Otrzymane wyniki potwierdziły pozytywny wpływ stosowania czystych
enancjomerów soli na przewodność, a także liczbę przenoszenia kationów litu.
Wytworzone układy charakteryzowały się wysoką wartością liczby przenoszenia kationów
– powyżej 0.6 w temperaturze 50 °C dla układów z pojedynczym enancjomerem. Pomiary
stabilności elektrochemicznej pokazały niską stabilność badanych próbek,
jednakże podobną do układów z bis(trifluorometanosulfonylo)imidem litu (LiTFSI) [3].
Wnioski
Przeprowadzone badania jednoznacznie potwierdziły wpływ związków chiralnych
na krystalizację, a więc organizację fazy stałej. Pomiary układów polimerowych na bazie
poli(tlenku etylenu) domieszkowanych solą chiralną LiBMA pokazały istotny wpływ
czystości enancjomerycznej na przewodność jonową, zwłaszcza na liczbę przenoszenia
kationu litu, której wartość okazała się znacznie przewyższać układy z innymi,
stosowanymi powszechnie w badaniach, solami np. LiTFSI [4].
Literatura
[1] M.B. Armand, P.G. Bruce, M. Forsyth, B. Scrosati, W. Wieczorek, Polymer
Electrolytes, Energy Materials, John Wiley & Sons, 2011, pp. 1-31.
[2] S. Béranger, M. Fortier, D. Baril, M. Armand, Solid State Ionics, 148 (2002) 437-441.
[3] D. Benrabah, D. Baril, J. Sanchez, M. Armand, G.G. Gard, J. Chem. Soc., Faraday
Trans., 89 (1993) 355-359.
[4] L. Edman, M.M. Doeff, Solid State Ionics, 158 (2003) 177-186.