Structure and lithium transport phenomena in a new tripodand-grafted polysiloxane

• Autorzy: Walkowiak M. , Waszak D. , Osińska-Broniarz M. , Gierczyk B.

Warianty tytułu

PL

Struktura i przewodnictwo kationów litu w nowego typu polisiloksanie z bocznymi grupami trójpodanowymi

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

New polymeric host for Li⁺ cation-conducting polymer electrolytes has been described. Poly(methyl(2-tris(2-(2-methoxyethoxy)ethoxy)silyl)ethyl)siloxane) trimethylsilyl terminated, average molecuar weight 19 100, has been synthesized by catalytic hydrosilylation reaction between a polysiloxane and appropriate vinyl-functionalized tripodand-type silane. On the basis of the obtained macromolecule a flexible polymer electrolyte membrane has been prepared by dissolving appropriate amount of lithium salt (LiPF₆) in the polymer matrix. Relation between the molecular structure and lithium cation conduction mechanism has been studied and discussed in terms of temperature dependence of specific conductivity and lithium cation transport number. The issue of decoupling of cationic mobility from polymer segmental motions has been addressed and discussed on the basis of solid state 7Li NMR measurements.

PL

Zbadano właściwości zsyntetyzowanego nowego typu polimerowego elektrolitu z mechanizmem przewodzenia opartym na kationach litu. Na drodze katalitycznej hydrosililacji, przy użyciu polisiloksanu i trójpodandu krzemowego z grupą winylową otrzymano poli(2-tris(2-(2-metoksyetoksy)etyloksy)sililoetylo)metylosiloksan o średnim ciężarze cząsteczkowym 19 100. W wyniku rozpuszczenia w wytworzonej matrycy polimerowej soli litu (LiPF₆) uzyskano elastyczne membrany elektrolitowe. Określano zależność właściwości elektrochemicznych oraz mechanizmu przewodnictwa jonowego od struktury kompleksu polimer-sól litu. Na podstawie pomiarów ⁷Li NMR rozważono problem braku sprzężenia dynamiki łańcucha polimerowego i dynamiki kationu litu. Struktura molekularna zsyntezowanego związku zawiera centra trójpodandowe przyłączone do polisiloksanowego łańcucha głównego (rys. 1). Polimer wykazuje strukturę amorficzną ze słabo zaznaczoną przemianą szklistą w temperaturze z zakresu 10-20 °C (rys. 2, 3). Zależność logarytmu przewodnictwa od odwrotności temperatury, wyznaczona dla kompleksu polimer-sól litu, ma przebieg prostoliniowy, co sugeruje nietypowy dla polieterowych elektrolitów polimerowych mechanizm przewodnictwa, oraz brak sprzężenia pomiędzy ruchami termicznymi segmentów polimerowych a transportem jonowym (rys. 4). Liczba przenoszenia kationu litu jest stosunkowo duża, co wskazuje na znaczną ruchliwość kationu Li⁺ (rys. 5). W celu dokładniejszej oceny dynamiki kationu wykonano ⁷Li NMR uzyskanego kompleksu w szerokim zakresie temperatury i określono zależność szerokości piku od temperatury (rys. 6). Zależność ta nie wykazuje charakterystycznego przegięcia w temperaturze przemiany szklistej, co potwierdza przypuszczenie o braku sprzężenia dynamiki polimeru z dynamiką kationu. Ponadto zaobserwowano rozszczepienie piku NMR poniżej temperatury ok. -30 °C, co przypisano dwóm odmiennym koordynacjom kationu przez eterowe atomy tlenu. Badania pozwoliły na zaproponowanie nowego typu mechanizmu transportu litu w polimerze, charakterystycznego dla obecności zorganizowanych centrów podandowych (rys. 7, schemat A). Otrzymany polimer jest interesującym przykładem przewodzącej matrycy dla kationów i może stanowić podstawę do wytwarzania wysokoprzewodzących elektrolitów polimerowych do akumulatorów litowych.

Słowa kluczowe

EN

polymer electrolyte; Li-ion battery; podands; solid-state; 7Li NMR

PL

elektrolity polimerowe; akumulatory litowo-jonowe; podandy; 7Li NMR

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Chemii Przemysłowej
• Czasopismo: Polimery
• Rocznik: 2011
• Tom: T. 56, nr 4
• Strony: 294--301
• Opis fizyczny: Bibliogr. 36 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Walkowiak M.

autor

Waszak D.

autor

Osińska-Broniarz M.

autor

Gierczyk B.

• Institute of Non-Ferrous Metals, Branch in Poznan, Central Laboratory of Batteries and Cells, Forteczna 12, 61-362 Poznan, Poland,

Bibliografia

• 1. FentonD. E., Parker J. M., Wright P. V.: Polymer 1973, 14, 589.
• 2. Gray F. M.: „Polymer Electrolytes”, The Royal Society of Chemistry 1997.
• 3. Bruce P. G.: in „Solid State Electrochemistry” (Ed. Bruce P. G.), Cambridge University Press, 1995.
• 4. Gokel G. W., Murillo O.: „Podands” In „Comprehensive Supramolecular Chemistry - Molecular Recognition: Receptors for Cationic Guests”, (Ed. Gokel G. W.), Elsevier, Oxford, UK 1996, Vol. 1, p. 1-34.
• 5. Atwood J. L., Steed J. W.: „Encyclopedia of Supramolecular Chemistry”, Marcel Dekker, Inc., New York 2004.
• 6. Bełtowska-Brzezińska M., Łuczak T., Gierczyk B., Eitner K., Brzeziński B., Pankiewicz R., Schroeder G.: J. Mol. Struct. 2002, 607, 77.
• 7. Łęska B., Pankiewicz R., Schroeder G., Maia A.: Tetrahedron Lett. 2006, 47, 5673.
• 8. Schroeder G., Gierczyk B., Waszak D., Kopczyk M., Walkowiak M.: Electrochem. Commun. 2006, 8, 523.
• 9. Schroeder G., Gierczyk B., Waszak D., Walkowiak M.: Electrochem. Commun. 2006, 8, 1583.
• 10. Khan I. M., Yuan Y, Fish D., Wu E., Smid J.: Macromolecules 1988, 21, 2684.
• 11. Oh B., Vissers D., Zhang Z., West R., Tsukamoto H., Amine K.: J. Power Sources 2003, 119-121, 442.
• 12. Rossi N. N. A., Zhang Z., Schneider Y, Morcom K., Lyons L. J., Wang Q., Amine K., West R.: Chem. Mater. 2006, 18, 1289.
• 13. Zhou G. B., Khan I. M., Smid J.: Macromolecules 1993, 26, 2202.
• 14. Spindler R., Shriver D. F.: Macromolecules 1988, 21, 648.
• 15. Spindler R., Shriver D. F.: J. Am. Chem. Soc. 1988, 110, 3036.
• 16. Siska D. P., Shriver D. F.: Chem. Mater. 2001, 13, 4698.
• 17. Morales E., Acosta J. L.: Electrochim. Ada 1999, 45, 1049.
• 18. Hooper R., Lyons L. J., Mapes M. K., Schumecher D., Moline D., West R.: Macromolecules 2001, 34, 931.
• 19. Zhang Z. C, Scherlock D., West R., West R., Amine K., Lyons L.: Macromolecules 2003, 36, 9176.
• 20. Zhang Z. C., Jin J. J., Bautista F, Lyons L. J., Shariatzadeh N., Sherlock D., Amine K., West R.: Solid State Ionics 2004, 170, 233.
• 21. Lee J., Kang Y, Suh D. H., Lee C.: Electrochim. Ada 2004, 50, 351.
• 22. Noda K., Yasuda T, Nishi Y: Electrochim. Ada 2004, 50, 243.
• 23. Kang Y, Lee J., Lee J., Lee C.: J. Power Sources 2007, 165, 92.
• 24. Nakahara H., Tanaka M., Yoon S.-Y, Nutt S.: J. Power Sources 2006, 160, 645.
• 25. Walkowiak M., Schroeder G., Gierczyk B., Waszak D., Osińska M.: Electrochem. Commun. 2006, 9,1558.
• 26. CAChe 5.04 User Guide, Fujitsu, 2003.
• 27. Evans J., Vincent C. A., Bruce P. G.: Polymer 1987, 28, 2324.
• 28. Bruce P. G., Evans J., Vincent C. A.: Solid State Ionics 1988, 28-30, 918.
• 29. Bruce P. G., Evans J., Vincent C. A.: Solid State Ionics 1987, 25, 255.
• 30. Lewandowski A., Stępniak I., Grzybkowski W.: Solid State Ionics 2001, 143, 425.
• 31. Łęska B., Przybylski P., Wyrwal J., Brzeziński B., Schroeder G., Rybachenko V.: J. Mol. Struct. 2005, 741, 11.
• 32. Capiglia C., Mustarelli P., Quartarone E., Tomasi C., Magistris A.: Solid State Ionics 1999, 118, 73.
• 33. Chung S. H., Wang Y., Persi L., Croce P., Greenbaum S. G., Scrosati B., Plichta E.: J. Power Sources 2001, 97-98, 644.
• 34. Böhmer R., Jeffrey K. R., Vogel M.: Spectroscopy 2007, 50, 87.
• 35. Jeon J.-D., Kwak S.-Y: Macromolecules 2006, 39, 8027.
• 36. Every H. A., Zhou P., Forsyth M., McFerlaine D. R.: Electrochimica Ada 1998, 43, 1465.