هلام أيوني

📅 آخر تحديث: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

الهلام الأيوني (أو الأيونوجيل ) مادة مركبة تتكون من سائل أيوني مثبت في مصفوفة غير عضوية أو بوليمرية. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] تتميز هذه المادة بقدرتها على الحفاظ على موصلية أيونية عالية في الحالة الصلبة. ولصنع الهلام الأيوني، تُخلط المصفوفة الصلبة أو تُصنّع في الموقع مع السائل الأيوني . ومن الممارسات الشائعة استخدام بوليمر مشترك كتلي يُبلمر في محلول مع سائل أيوني، مما يُنتج بنية نانوية ذاتية التجميع حيث تكون الأيونات قابلة للذوبان بشكل انتقائي. كما يمكن صنع الهلام الأيوني باستخدام بوليمرات غير مشتركة مثل السليلوز ، أو أكاسيد مثل ثاني أكسيد السيليكون ، أو مواد حرارية مثل نتريد البورون .

أنواع الهلام الأيوني

يمكن تقسيم الهلامات الأيونية إلى فئتين رئيسيتين بناءً على المكون الرئيسي للمادة الأساسية في المركب: البوليمرية وغير العضوية. [ 1 ] ويمكن تقسيم هاتين الفئتين الرئيسيتين إلى فئات فرعية بناءً على التركيب الكيميائي للمادة الأساسية. في التطبيقات النموذجية للهلامات الأيونية، يُفضل أن تكون مكونات المادة الأساسية عازلة كهربائيًا لفصل نقاط التلامس داخل الجهاز وتوفير التوصيل الأيوني فقط. ويؤثر اختيار المادة الأساسية على التوصيل الأيوني والخواص الميكانيكية للمادة المركبة النهائية.

الفئات غير العضوية: [ 1 ]

الفئات البوليمرية: [ 3 ]

على الرغم من أن هذه الأنواع الفرعية من الهلامات الأيونية تُصنّف العديد من المواد ضمن هذه الفئة الواسعة، إلا أنه لا تزال هناك مواد هجينة تقع خارج هذه التصنيفات. وقد تم عرض أمثلة على هلامات أيونية تحتوي على مواد بوليمرية وغير عضوية لتوفير المرونة والقوة في المركب النهائي. [ 4 ]

التطبيقات

استُخدمت الهلاميات الأيونية في العديد من أنظمة الأجهزة الكهربائية، مثل المكثفات كمواد عازلة ، [ 5 ] وكعوازل لترانزستورات تأثير المجال ، [ 6 ] وكإلكتروليتات لبطاريات الليثيوم أيون . [ 1 ] يُعدّ الشكل الصلب والمرن للهلاميات الأيونية جذابًا للأجهزة المحمولة الحديثة، مثل الشاشات القابلة للتشكيل، وأنظمة مراقبة الصحة، وبطاريات الحالة الصلبة. [ 7 ] وبالنسبة لتطبيقات بطاريات الحالة الصلبة تحديدًا، توفر اللزوجة العالية للهلاميات الأيونية قوة كافية للعمل كإلكتروليت وفاصل بين المصعد والمهبط . [ 1 ] إضافةً إلى ذلك، يُفضّل استخدام الهلاميات الأيونية في تطبيقات البطاريات، حيث يُتيح التدفق المرن اللزج للهلام تحت الضغط تلامسًا عالي الجودة بين القطب والإلكتروليت، مقارنةً بالإلكتروليتات الصلبة الأخرى. [ 8 ]

الاستقرار الحراري

من المعروف أن الهلامات الأيونية قادرة على تحمل درجات حرارة تصل إلى 300  درجة مئوية قبل بدء التحلل. [ 9 ] عادةً ما تكون قدرة تحمل درجات الحرارة العالية محدودة بالسائل الأيوني المستخدم ، والذي قد يتمتع بنطاق واسع من الاستقرار الحراري، ولكنه عادةً ما يكون مستقرًا حتى 250  درجة مئوية على الأقل. [ 10 ] وقد استُغل هذا الاستقرار الحراري العالي لتشغيل خلايا بطاريات الليثيوم أيون على نطاق المختبر حتى 175  درجة مئوية، وهو ما يتجاوز بكثير قدرات الإلكتروليتات التجارية الحالية. [ 11 ]

الخواص الميكانيكية

نظراً لتنوع الهلامات الأيونية، تتفاوت الخصائص الميكانيكية لهذه الفئة الواسعة من المواد بشكل كبير. وغالباً ما تُصمم هذه الخصائص خصيصاً لتناسب التطبيق المطلوب. فالتطبيقات التي تتطلب مرونة عالية تستهدف مادة أساسية عالية المرونة، مثل البوليمر المتشابك . [ 7 ] [ 9 ] توفر هذه الأنواع من المواد المطاطية درجة عالية من الإجهاد المرن مع استعادة كاملة، وهو أمر مرغوب فيه في الأجهزة القابلة للارتداء التي ستتعرض للعديد من دورات الإجهاد خلال عمرها الافتراضي. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لهذه الأنواع من المواد أن تحقق إجهاداً يصل إلى 135% عند الفشل، مما يشير إلى درجة من الليونة . [ 12 ] أما التطبيقات التي تتطلب هلاماً أيونياً عالي القوة، فغالباً ما تستخدم مادة أساسية حرارية لتوليد تقوية مركبة. وهذا مرغوب فيه بشكل خاص في تطبيقات بطاريات الليثيوم أيون ، التي تسعى إلى منع نمو التشعبات الليثيومية في الخلية، والتي قد تؤدي إلى حدوث قصر داخلي . وقد تم إثبات وجود علاقة في بطاريات الليثيوم أيون بين الإلكتروليتات الصلبة القوية ذات معامل المرونة العالي والحد من نمو التشعبات الليثيومية. [ 13 ] وبالتالي، يمكن لمركب الهلام الأيوني القوي أن يحسن من عمر بطاريات الليثيوم أيون من خلال تقليل حالات فشل الدائرة القصيرة الداخلية.

غالبًا ما تُقاس مقاومة التدفق المرنة للهلامات الأيونية باستخدام مطيافية الميكانيكا الديناميكية . تكشف هذه الطريقة عن معامل التخزين ومعامل الفقد ، اللذين يحددان استجابة الإجهاد والانفعال للهلام. تقع جميع الهلامات الأيونية في نطاق الحالة شبه الصلبة إلى الصلبة، مما يشير إلى أن معامل التخزين أعلى من معامل الفقد (أي أن السلوك المرن يسود على السلوك السائل المُبدد للطاقة). [ 14 ] يحدد مقدار معامل التخزين ونسبته إلى معامل الفقد قوة ومتانة المادة المركبة. [ 9 ] تتراوح قيم معامل التخزين للهلامات الأيونية من حوالي 1.0 كيلو باسكال للمصفوفات البوليمرية النموذجية [ 15 ] إلى حوالي 1.0 ميجا باسكال للمصفوفات الحرارية. [ 11 ]

يمكن أن يلعب تركيب المادة المركبة دورًا كبيرًا في تحديد الخواص الميكانيكية النهائية للمادة. وينطبق هذا بشكل خاص على المواد المركبة غير العضوية. وقد أظهرت العديد من التجارب المخبرية اتجاهًا عامًا مفاده أن صغر حجم جزيئات المادة المركبة يؤدي إلى زيادة معامل التخزين بمقدار عدة مراتب. [ 11 ] [ 13 ] ويعزى ذلك إلى ارتفاع نسبة مساحة السطح إلى الحجم لجزيئات المادة المركبة، وزيادة تركيز التفاعلات النانوية بين الجزيئات والسائل الأيوني المُثبَّت . [ 11 ] وكلما زادت قوى التفاعل بين مكونات المادة المركبة الهلامية الأيونية، زادت القوة اللازمة للتشوه اللدن، وبالتالي زادت صلابة المادة بشكل عام.

تكمن إحدى درجات الحرية الأخرى في تصميم الهلام الأيوني في نسبة المادة الأساسية إلى السائل الأيوني في المركب النهائي. فمع ازدياد تركيز السائل الأيوني في المادة الأساسية، تصبح المادة أكثر سيولة بشكل عام، مما يؤدي إلى انخفاض معامل التخزين . [ 16 ] وعلى العكس، فإن انخفاض التركيز يُقوّي المادة عمومًا، وقد يُولّد، اعتمادًا على مادة المادة الأساسية، استجابة إجهاد-انفعال أكثر مرونة أو هشاشة. [ 17 ] أما المقايضة العامة لانخفاض تركيز السائل الأيوني فتتمثل في انخفاض لاحق في الموصلية الأيونية للمركب ككل، مما يجعل التحسين ضروريًا للتطبيق المحدد. [ 16 ]

مراجع

  1. 1 2 3 4 5 تشين، نان؛ تشانغ، هاي تشين؛ لي، لي؛ تشين، رينجي؛ غو، شاو جون (أبريل 2018). "إلكتروليتات الأيونوجيل لبطاريات الليثيوم عالية الأداء: مراجعة". مواد الطاقة المتقدمة . 8 (12) 1702675. doi : 10.1002/aenm.201702675 . S2CID 102749351 . 
  2. ↑ تريباثي، ألوك كومار (2021). "الإلكتروليتات الصلبة القائمة على السوائل الأيونية (الأيونوجيلات) لتطبيقات بطاريات الليثيوم القابلة لإعادة الشحن". مواد اليوم والطاقة . 20 100643. doi : 10.1016/j.mtener.2021.100643 . S2CID 233581904 . 
  3. 1 2 أوسادا، إيرين؛ دي فريس، هنريك؛ سكروساتي، برونو؛ باسيريني، ستيفانو (2016). "إلكتروليتات بوليمرية قائمة على السوائل الأيونية لتطبيقات البطاريات". Angewandte Chemie International Edition . 55 (2): 500–513 . doi : 10.1002/anie.201504971 . ISSN 1521-3773 . PMID 26783056 .  
  4. ^ جويومارد لاك، أوريلي؛ أبوسلام، خوليو؛ السودان، باتريك؛ ليستريز، برنارد. جويومارد، دومينيك؛ بيدو ، جان لو (يونيو 2014). "الهجين السيليكا-بوليمر الأيونوجيل بالكهرباء الصلبة مع خصائص قابلة للضبط". مواد الطاقة المتقدمة . 4 (8) 1301570. دوى : 10.1002/aenm.201301570 . S2CID 94800401 . 
  5. ↑ يونغ، هانسول؛ بارك، هابين؛ جونغ، تشولسو (31 يناير 2020). "إلكتروليت بوليمر هلامي شبه صلب لتطبيقات المكثفات الفائقة القائمة على الأسيتونيتريل في نطاق واسع من درجات الحرارة" . مجلة مصادر الطاقة . 447 227390. doi : 10.1016/j.jpowsour.2019.227390 . ISSN 0378-7753 . S2CID 209710082 .  
  6. ↑ لودج، تي بي (4 يوليو 2008). " علم المواد: منصة فريدة لتصميم المواد". مجلة ساينس . 321 (5885): 50-51 . doi : 10.1126/science.1159652 . ISSN 0036-8075 . PMID 18599764. S2CID 206513712 .   
  7. 1 2 بالتشودري، سوبانتيكا؛ راماسامي، كارتيك؛ غوبتا، رام ك.؛ غوبتا، أرونافا (2019). " المكثفات الفائقة المرنة: منظور المواد" . مجلة فرونتيرز إن ماتيريالز . 5. doi : 10.3389/fmats.2018.00083 . ISSN 2296-8016 . 
  8. ↑ وانغ، زيكي؛ تان، روي؛ وانغ، هونغبين؛ يانغ، لويي؛ هو، جيانغتاو؛ تشين، هايبياو؛ بان، فينغ (يناير 2018). "إلكتروليت قائم على إطار معدني عضوي ذو واجهات نانوية مبللة لبطارية ليثيوم صلبة عالية الكثافة الطاقية". مواد متقدمة . 30 (2) 1704436. doi : 10.1002/adma.201704436 . PMID 29178151. S2CID 25616925 .  
  9. 1 2 3 تشاو، كانغ؛ سونغ، هونغزان؛ دوان، شياولي؛ وانغ، زيهاو؛ ليو، جياهانغ؛ با، شينوو (مارس 2019). "هلام أيوني جديد متشابك كيميائيًا قائم على بوليمر متفرع للغاية منتهي بالأكريلات ذو موصلية أيونية فائقة لبطاريات الليثيوم أيون عالية الأداء" . بوليمرات . 11 ( 3): 444. doi : 10.3390/polym11030444 . PMC 6473542. PMID 30960428 .  
  10. ↑ ليفاندوفسكي، أندريه؛ سويدرسكا-موسيك، أغنيشكا (ديسمبر 2009). "السوائل الأيونية كإلكتروليتات لبطاريات الليثيوم أيون - نظرة عامة على الدراسات الكهروكيميائية". مجلة مصادر الطاقة . 194 (2): 601-609 . doi : 10.1016/j.jpowsour.2009.06.089 .
  11. ١ ٢ ٣ ٤ هيون، وو جين؛ دي مورايس، آنا سي إم؛ ليم، جين ميونغ؛ داونينغ، جوليا آر؛ بارك، كيو يونغ؛ تان، مارك تيان تشي؛ هيرسام، مارك سي. (٢٠١٩-٠٨-٢٧). "إلكتروليتات هلامية من صفائح نانوية من نتريد البورون سداسي الشكل عالي المعامل لبطاريات الليثيوم أيون الصلبة القابلة لإعادة الشحن". ACS Nano . ١٣ (٨): ٩٦٦٤-٩٦٧٢ . doi : 10.1021/acsnano.9b04989 . ISSN 1936-0851 . PMID 31318524. S2CID 197665200 .   
  12. ^ قوه ، بانلونج. سو، أنيو؛ وي، ينغجين؛ ليو، شياو كونغ. لي، يانغ؛ قوه، فيفان؛ لي، جيان؛ هو، تشن يوان؛ صن ، جونكي (2019/05/29). "شوارد أيونوجيل فوق جزيئية قابلة للشفاء، وعالية التوصيل، ومرنة، وغير قابلة للاشتعال لبطاريات الليثيوم أيون". المواد والواجهات التطبيقية لـ ACS . 11 (21): 19413–19420 . دوى : 10.1021/acsami.9b02182 . ردمك 1944-8244 . بميد 31058482 . S2CID 145822146 .   
  13. 1 2 لو، يينغ يينغ؛ كورف، كيفن؛ كامبي، يو؛ تو، تشنغ يوان؛ آرتشر، ليندن أ. (2014-01-07). "الإلكتروليتات الهجينة من السوائل الأيونية والجسيمات النانوية: تطبيقات في بطاريات الليثيوم المعدنية". Angewandte Chemie International Edition . 53 (2): 488–492 . doi : 10.1002/anie.201307137 . PMID 24282090 . 
  14. ↑ فرانك، أ. "اللزوجة المرنة والاختبارات الميكانيكية الديناميكية" (ملف PDF) . شركة TA Instruments .
  15. ↑ باتيل، موناليزا؛ غنانافيل، م.؛ بهاتاشاريا، أنيندا ج. (2011). "استخدام سائل أيوني لتصنيع إلكتروليت بوليمر "هلامي" من مادة لينة لبطاريات الليثيوم أيون ذات قدرة عالية على الشحن والتفريغ السريع" . مجلة كيمياء المواد . 21 (43): 17419. doi : 10.1039/c1jm12269j . ISSN 0959-9428 . 
  16. 1 2 لو، يينغ يينغ؛ موغانتي، سوريا س.؛ شيفر، جينيفر ل.؛ آرتشر، ليندن أ. (2012). "إلكتروليتات هجينة من السوائل الأيونية والجسيمات النانوية" . مجلة كيمياء المواد . 22 (9): 4066. doi : 10.1039/c2jm15345a . hdl : 1813/33452 . ISSN 0959-9428 . 
  17. ↑ وو، فينغ؛ تشين، نان؛ تشين، رينجي؛ تشو، تشيتشن؛ تان، غوتشيانغ؛ لي، لي (يناير 2016). "إلكتروليت صلب نانوجيلاتوري ذاتي التنظيم: خيار جديد لتحسين سلامة بطارية الليثيوم" . العلوم المتقدمة . 3 (1) 1500306. doi : 10.1002/advs.201500306 . PMC 5063194. PMID 27774385 .