ВОЗМОЖНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОЛИСАХАРИДОВ В КАЧЕСТВЕ ГЕЛЕВОГО ПОЛИМЕРНОГО ЭЛЕКТРОЛИТА

АННОТАЦИЯ

В данной статье представлена подробная информация о новой технологии получения электролитов для аккумуляторных батарей, используемых в современной электронной технике, гаджетах и электромобилях. Этот тип электролита превосходит другие тем, что он безопасен, невзрывоопасен, негорюч, нетоксичен и экологически чист, а главное, обладает способностью восстанавливать свою энергию при повреждении внешними воздействиями.

ABSTRACT

This article provides detailed information about the new technology for producing electrolytes for batteries used in modern electronic equipment, gadgets and electric vehicles. This type of electrolyte is superior to others in that it is safe, non-explosive, non-flammable, non-toxic and environmentally friendly, and most importantly, it has the ability to restore its energy when damaged by external influences.

Keywords: electrolyte, polysaccharide, polymer, gel electrolyte, hydrogel, polyvinyl alcohol, polyacrylamide, double network, flexible electrolyte.

Ключевые слова: электролит, полисахарид, полимер, гель-электролит, гидрогель, поливиниловый спирт, полиакриламид, двойная сетка, гибкий электролит.

Гель-полимерные электролиты - впервые в 1975 году. был открыт Фейядом и Першем [1] , они изготовлены из полимеров, которые легко плавятся в результате смешивания при низких температурах. Сегодня в накопителях энергии они служат не только электролитом, но и сепаратором (разделяет два электрода). Кроме того, такие положительные свойства, как эластичность, сохранение формы, применение в любой форме и размере, стойкость к коррозии и эрозии, электрохимическая стабильность, позволяют использовать их в качестве гибких, гибких и долговечных электротехнических инструментов. Этот тип электролита в основном состоит из полимеров и солей, причем полимеры действуют как основа (хозяин), а ионы соли обеспечивают ионную проводимость (рис. 1). Поливиниловый спирт, полиэтиленоксид, полиакриловая кислота и полиакриламиды в качестве полимерной основы широко используются в гелевых полимерных электролитах, поскольку они образуют высокую ионную проводимость и прочную гидрогелевую связь.

Рисунок 1. Схематическое изображение полимерных электролитов

Поливиниловый спирт получил широкое применение по сравнению с другими полимерными основами благодаря хорошей гелеобразной форме, высокой гидрофильности, простоте приготовления, нетоксичности и низкой стоимости [2]. В основном его используют вместе с растворами сильных кислот (например, H₃PO ₃ и H₂SO_{4 ),} сильных щелочей (KOH) и нейтральных солей (LiCl).

Рисунок 2. Эмпирическая формула поливинилового спирта

Полиакриламидный сырой гель является прекрасной полимерной основой для полимерных электролитов.Благодаря аморфной структуре ионная проводимость в несколько раз выше, чем у поливинилового спирта, механически и химически стабилен, образует гибкий гель, дешев. широко используется в качестве полимерной основы в течение последних 10 лет.

Рисунок 3. Химическая структура полиакриламида

Накопители энергии могут также использоваться в технологических устройствах, работающих под воздействием различных видов движения и механических напряжений. Поэтому гелевые полимерные электролиты должны быть растяжимыми, эластичными и устойчивыми к деформациям. Однако механические свойства гелевых полимерных электролитов еще недостаточно хороши и до сих пор мало изучены исследователями. Ученые проделали большую работу по улучшению механических свойств водорастворимых гидрогелей. Среди них гель-полимерные электролиты со скользящим кольцом [3] , гидрофобное связывание [4-5], ионное связывание [6-7], микрочастичный состав [8], нанокомпозит [9-10], двухзонная [11] структура . В 2003 году Гонг и его научная группа открыли гель-полимерный электролит с двухзонной структурой и с помощью этого метода добились улучшения механических свойств гидрогелей [12] .

Бицепочечные гидрогели состоят из двух типов механических свойств, жестких и мягких сетей.Первая сеть на основе гидрогеля является твердой и хрупкой, противостоит сильной деформации и позволяет гелевому полимерному электролиту вернуться в исходное состояние. Таким образом, сочетание двух уникальных сеток одновременно делает гель-полимерный электролит твердым и мягким и улучшает его механические свойства. Поэтому мы выбрали метод получения двухцепочечных гидрогелей как наиболее эффективный метод с целью повышения и улучшения механических свойств гелевого полимерного электролита.

В результате исследований установлено, что во всех типах накопителей энергии (двухслойных, псевдо- и гибридных) к электролиту предъявляются три требования в связи с использованием различных материалов электродов:

• Высокая ионная проводимость
• Высокая химическая, электрохимическая и термостабильность.
• Достаточная механическая прочность

Из экспериментов известно, что эти три требования трудно применить к одному электролиту. Если выполнить первое условие, то электролит должен быть в жидком виде, поскольку в жидких электролитах движение ионов свободное и быстрое. Это, в свою очередь, отменяет второе и третье условия. Многие исследования показали, что ионная проводимость и механические свойства противоположны друг другу, показывая, что доминирование одного снижает эффективность другого [13-18]. Поэтому основной целью данной научно-исследовательской работы является создание гелевого полимерного электролита, позволяющего использовать его в накопителях энергии, работающих при различных деформациях и температурах, без снижения их ионной проводимости, без снижения свойств гелевых полимерных электролитов.

Список литературы:

1. Feuillade G, Perche P (1975) Ion-conductive macromolecular gels and membranes for solid lithium cells. J Appl Electrochem 5: 63–69.
2. H. J. Fei, C. Y. Yang, H. Bao and G. C. Wang, J. PowerSources, 2014, 266, 488–495.
3. A. Yu, V. Chabot and J. Zhang, Electrochemical Supercapacitors for Energy Storage and Delivery: Fundamentals and Applications, 2013
4. Na, R. et al. Mechanically robust hydrophobic association hydrogel electrolyte with efficient ionic transport for flexible supercapacitors. Chemical Engineering Journal (2019).
5. Han, Y., Tan, J., Wang, D., Xu, K. & An, H. Novel approach to promote the hydrophobic association: Introduction of short alkyl chains into hydrophobically associating polyelectrolytes. Journal of Applied Polymer Science136, 47581 (2019).
6. Maiti, S., Ranjit, S., Mondol, R., Ray, S. & Sa, B. Al+ 3 ion cross-linked and acetalated gellan hydrogel network beads for prolonged release of glipizide. Carbohydrate polymers85, 164-172 (2011).
7. Li, L., Zhao, J., Sun, Y., Yu, F. & Ma, J. Ionically cross-linked sodium alginate/ĸ-carrageenan double-network gel beads with low-swelling, enhanced mechanical properties, and excellent adsorption performance. Chemical Engineering Journal372, 1091-1103 (2019). Lemercier, A. & Huille, S.     (Google Patents, 2001). (По требованию Роскомнадзора информируем, что иностранное лицо, владеющее информационными ресурсами Google является нарушителем законодательства Российской Федерации – прим. ред.).
8. Schexnailder, P. & Schmidt, G. Nanocomposite polymer hydrogels. Colloid and Polymer Science287, 1-11 (2009).
9. Haraguchi, K. & Takehisa, T. Nanocomposite hydrogels: A unique organic–inorganic network structure with extraordinary mechanical, optical, and swelling/de‐swelling properties. Advanced materials14, 1120-1124 (2002).
10. Na, Y.-H. et al. Structural characteristics of double network gels with extremely high mechanical strength. Macromolecules37, 5370-5374 (2004).
11. A. Brandt, S. Pohlmann, A. Varzi, A. Balducci and S. Passerini,
    MRS Bull., 2013, 38, 554–559
12. N. A. Choudhury, S. Sampath and A. K. Shukla, Energy
    Environ. Sci., 2009, 2, 55–67.
13. Mechanical and structural properties of gel polymer electrolytes for flexible supercapasitors. S Jasur, B Azamat - Universum: технические науки, 2021
14. Compressible and bendable highly flexible double network gel polymer electrolytes for supercapasitors. JA Shodmanov, AS Boymirzaev - Theoretical & Applied Science, 2021
15. A Novel Gel Polymer Electrolyte for Flexible Supercapacitor with High Mechanical and Self-Healing Properties. J Shodmanov, A Boymirzaev - International Conference on Materials for Energy …, 2022
16. Electrophysical Properties of Supercapacitor on the Basis of New Gel Polymer Electrolyte. JA Shodmanov, A Boymirzaev - Scientific Bulletin. Physical and Mathematical …, 2021
17. Ion cross-linked double network gellan gum gel polymer electrolyte for flexible supercapasitors. J Shodmanov, A Boymirzaev - Sciences of Europe, 2021