Bivalent cations conductive solid ionogel electrolytes for metal-ion applications
Electrolytes ionogels solides conducteurs d’ions divalents pour applications métal-ion
Résumé
The development of all-solid-state energy storage devices calls for the use of new, innovative materials including electrolytes. These must be competitive with commercial liquid electrolytes in terms of ionic conductivity and electrochemical stability. Ionics liquids (ILs) are already used for their interesting properties such as very low vapour pressure, low melting point, non-flammability, and wide electrochemical windows. Nevertheless, they remain liquid and present leakage and therefore packaging problems. The confinement of ionic liquids in polyvinylidene fluoride polymer (ionogels) limits the risk of thermal runaway in electrochemical devices. These are biphasic materials with continuous interfaces between an ionic liquid and the solid matrix (silica or polymer) that confines it. Ionogels feature very high ionic conductivity. By adding Li, Mg or Zn salts to IL, ionogels can be tailored to specific applications such as supercapacitors and batteries. The switch from monovalent to bivalent cations guarantees a higher theoretical energy density in the device. The present work focuses on the interactions and mobility of ions in ionogels. We are studying the competitive coulombic interactions either between the cation of interest (Li+/Mg2+/Zn2+) and the IL anion or with the confining solid matrix. These studies shed light on the surprising diffusivity of these cations in ionogels. The chemical and physical properties of the polymer play an essential role in these diffusion mechanisms at the solid-liquid interface. Confinement allows the cations of interest to select a preferred interaction with the host polymer, with a possible hopping diffusion mechanism at the continuous interface. Finally, ionogels designed for prototype metal-ion hybrid supercapacitors can be studied in symmetrical cells to confirm that transport properties are better in highly concentrated ionogels than in the ionic liquids themselves.
Le développement de dispositifs de stockage d'énergie tout solide implique l'utilisation de nouveaux matériaux innovants incluant les électrolytes. Ils doivent être compétitifs vis-à-vis des électrolytes liquides commerciaux en termes de conductivité ionique et de stabilité électrochimique. Les liquides ioniques (LIs) sont déjà utilisés pour leurs propriétés intéressantes telles que leur pression de vapeur très faible, leur point de fusion bas, leur non flammabilité et leur large fenêtre électrochimique. Néanmoins, ils restent liquides et présentent des problèmes de fuite et donc de packaging. Le confinement de liquides ioniques dans le polymère polyfluorure de vinylidène (ionogels) permet de limiter les risques d'emballement thermique dans les dispositifs électrochimiques. Les ionogels sont des matériaux biphasiques à interface bicontinue entre un liquide ionique et la matrice solide qui le confine (silice ou polymères). Les ionogels présentent une conductivité ionique très élevée. L'ajout de sels de Li, Mg ou Zn dans le LI permet d'adapter les ionogels à des applications spécifiques telles que les supercondensateurs et les batteries. Le passage des cations monovalents aux cations divalents garantit une densité d'énergie théorique plus élevée dans le dispositif. Ces travaux de recherche se concentrent sur les interactions et la mobilité des ions dans les ionogels. Nous étudions les interactions coulombiennes en compétition entre le cation d'intérêt (Li+/Mg2+/Zn2+) et, soit avec l'anion de l'IL, soit avec la matrice solide de confinement. Ces études apportent des connaissances sur la surprenante diffusivité de ces cations dans les ionogels. Les propriétés chimiques et physiques du polymère jouent un rôle essentiel dans ces mécanismes de diffusion à l'interface solide-liquide. Le confinement permet de sélectionner une interaction privilégiée avec le réseau hôte pour les cations d'intérêt, avec une diffusion par sauts possible à l'interface continue. Enfin, les ionogels conçus pour les prototypes de supercondensateurs hybrides métal-ion pourront être étudiés dans des cellules symétriques afin de confirmer que les propriétés de transport sont meilleures dans les ionogels fortement concentrés que dans les liquides ioniques eux-mêmes.
Domaines
Matériaux| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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