Formation and investigation of properties of composite gel-polymer electrolytes based on Nafion@ZrO2 membrane in Li+ form

Capa

Citar

Texto integral

Acesso aberto Acesso aberto
Acesso é fechado Acesso está concedido
Acesso é fechado Somente assinantes

Resumo

The use of cation-exchange membranes as polymer electrolytes in lithium metal batteries can inhibit dendrite formation during battery operation. Solvation of the membranes leads to an increase in ionic conductivity, but the mechanical properties, which also affect dendrite growth, are significantly degraded. In the present work, the mechanical strength and volumetric stability of Nafion®-117 membranes in Li+⁺ form solvated by a mixture of ethylene carbonate and propylene carbonate were improved by introducing nanosized zirconium dioxide particles into the membrane matrix by in situ method. It is shown that the introduction of 3.8 wt.% ZrO₂ leads to a ~28-fold increase in Young’s modulus compared to the unmodified membrane. At the same time, the volumetric stability of the membranes during solvation increases by ~3.4 times. However, the ionic conductivity of the membranes decreases after the introduction of dopant and is 3∙10–⁴, 5∙10–⁶ and 2.7∙10–⁶ S/cm at 25°C for the membrane without dopant and containing 3.8 wt.% and 6.7 wt.% zirconium dioxide, respectively.

Texto integral

Acesso é fechado

Sobre autores

D. Voropaeva

Kurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry of the Russian Academy of Sciences

Autor responsável pela correspondência
Email: voroparva@igic.ras.ru
Rússia, Moscow

Ya. Pyataeva

Higher School of Economics

Email: voroparva@igic.ras.ru
Rússia, Moscow

A. Yaroslavtsev

Kurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry of the Russian Academy of Sciences

Email: voroparva@igic.ras.ru
Rússia, Moscow

Bibliografia

  1. Fan L., Wei S., Li S., Li Q., Lu Y. // Adv. Energy Mater. 2018. V. 8. Art. No 1702657.
  2. Li H., Xu Z., Yang J., Wang J., Hirano S. // Energy Fuels. 2020. V. 4. P. 5469–5487.
  3. Rao X., Lou Y., Zhong S., Wang L., Li B., Xiao Y., Peng W., Zhong X., Huang J. // J. Electroanal. Chem. 2021. V. 897. Art. No 115499.
  4. Ding P., Lin Z., Guo X., Wu L., Wang Y., Guo H., Li L., Yu H. // Mater. Today. 2021. V. 51. P. 449–474.
  5. Chazalviel J.-N. // Phys. Rev. A. 1990. V. 42. P. 7355–7367.
  6. Tu Z., Choudhury S., Zachman M.J., Wei S., Zhang K., Kourkoutis L.F., Archer L.A. // Joule. 2017. V. 1. P. 394–406.
  7. Xu R., Xiao Y., Zhang R., Cheng X., Zhao C., Zhang X., Yan C., Zhang Q., Huang J. // Adv. Mater. 2019. V. 31. Art. No 1808392.
  8. Chen Y., Li C., Ye D., Zhang Y., Bao H., Cheng H. // J. Memb. Sci. 2021. V. 620. Art. No 118926.
  9. Istomina A.S., Yaroslavtseva T.V., Reznitskikh O.G., Kayumov R.R., Shmygleva L.V., Sanginov E.A., Dobrovolsky Y.A., Bushkova O.V. // Polymers (Basel). 2021. V.13 Art. No 1150.
  10. Evshchik E.Y., Sanginov E.A., Kayumov R.R., Zhuravlev V.D., Bushkova O.V., Dobrovolsky Y.A. // Int. J. Electrochem. Sci. 2020. V. 15. P. 2216–2225.
  11. Nicotera I., Simari C., Agostini M., Enotiadis A., Brutti S. // J. Phys. Chem. C. 2019. V. 123. P. 27406–27416.
  12. Voropaeva D.Y., Novikova S.A., Kulova T.L., Yaroslavtsev A.B. // Solid State Ionics. 2018. V. 324. P. 28–32.
  13. Voropaeva D., Novikova S., Xu T., Yaroslavtsev A. // J. Phys. Chem. B. 2019. V. 123. P. 10217–10223.
  14. Xiao W., Wang Z., Zhang Y., Fang R., Yuan Z., Miao C., Yan X., Jiang Y. // J. Power Sources. 2018. V. 382. P. 128–134.
  15. Li X., Zhang H., Mai Z., Zhang H., Vankelecom I. // Energy Environ. Sci. 2011. V. 4. Art. No 1147.
  16. Pan X., Yang P., Guo Y., Zhao K., Xi B., Lin F., Xiong S. // Adv. Mater. Interfaces. 2021. V. 8. Art. No 2100669.
  17. Han B., Jiang P., Li S., Lu X. // Solid State Ionics. 2021. V. 361. Art. No 115572.
  18. Zhang P., Yang L.C., Li L.L., Ding M.L., Wu Y.P., Holze R. // J. Memb. Sci. 2011. V. 379. P. 80–85.
  19. Jamalpour S., Ghahramani M., Ghaffarian S.R., Javanbakht M. // Polymer. 2021. V. 228. Art. No 123924.
  20. Lee Y.-S., Jeong Y.B., Kim D.-W. // J. Power Sources. 2010. V. 195. P. 6197–6201.
  21. Jagadeesan A., Sasikumar M., Hari Krishna R., Raja N., Gopalakrishna D.,. Vijayashree S, Sivakumar P. // Mater. Res. Express. 2019. V. 6. Art. No 105524.
  22. Pan X., Hou Q., Liu L., Zhang J., An M., Yang P. // Ionics. 2021. V. 27. P. 2045–2051.
  23. Subramania A., Kalyana Sundaram N.T., Sathiya Priya A.R., Vijaya Kumar G. // J. Memb. Sci. 2007. V. 294. P. 8–15.
  24. Croce F., Settimi L., Scrosati B. // Electrochem. Commun. 2006. V. 8. P. 364–368.
  25. Xu J., Ma C., Chang C., Lei X., Fu Y., Wang J., Liu X., Ding Y. // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2021. V. 13. P. 38179–38187.
  26. Guo Q., Han Y., Wang H., Xiong S., Sun W., Zheng C., Xie K. // Novel synergistic coupling composite chelating copolymer/LAGP solid electrolyte with Electrochim. Acta. 2019. V. 296. P. 693–700.
  27. Rangasamy E., Wolfenstine J., Sakamoto J. // Solid State Ionics. 2012. V. 206. P. 28–32.
  28. Han F., Westover A.S., Yue J., Fan X., Wang F., Chi M., Leonard D.N., Dudney N.J., Wang H., Wang C. // Nat. Energy. 2019. V. 4. P. 187–196.
  29. Shin B.R., Nam Y.J., Oh D.Y., Kim D.H., Kim J.W. // Electrochim. Acta. 2014. V. 146. P. 395–402.
  30. Yi L., Zou C., Chen X., Liu J., Cao S., Tao X., Zang Z., Liu L., Chang B., Shen Y., Wang X. // ACS Appl. Energy Mater. 2022. V. 5. P. 7317–7327.
  31. Safronova E.Y., Lysova A.A., Voropaeva D.Y., Yaroslavtsev A.B. // Membranes. 2023. V. 13. Art. No 721.
  32. Gao J., Shao Q., Chen J. // J. Energy Chem. 2020. V. 46. P. 237–247.
  33. Voropaeva D., Merkel A., Yaroslavtsev A. // Solid State Ionics. 2022. V. 386. Art. No 116055.
  34. Golubenko D.V, Shaydullin R.R., Yaroslavtsev A.B. // Colloid Polym. Sci. 2019. V. 297. P. 741–748.
  35. Doyle M., Lewittes M.E., Roelofs M.G., Perusich S.A., Lowrey R.E. // J. Memb. Sci. 2001. V. 184. P. 257–273.
  36. Yaroslavtsev A.B., Stenina I.A., Golubenko D.V. // Pure Appl. Chem. 2020. V. 92. P. 1147–1157.
  37. Chen H.-Y.T., Tosoni S., Pacchioni G. // Surf. Sci. 2016. V. 652. P. 163–171.
  38. Ярославцев А.Б., Караванова Ю.А., Сафронова Е.Ю. // Мембраны и Мембранные Технологии. 2011. Т. 1. С. 3–10 (англоязычная версия: Yaroslavtsev A.B., Karavanova Y.A., Safronova E.Y. // Petroleum Chem. 2011. V. 51, P. 473–479).
  39. Porozhnyy M., Huguet P., Cretin M., Safronova E., Nikonenko V. // Int. J. Hydrogen Energy. 2016. V. 41. P. 15605–15614.

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares
Ação
1. JATS XML
Baixar
2. Fig. 1. X-ray radiographs of powders obtained after annealing of hybrid membranes Nafion-3.8 (1), Nafion-6.7 (2), dashed diagram corresponding to ZrO2 (Card No.: 44-1472)

Baixar (315KB)
Metadados
3. Fig. 2. IR spectra of Nafion-0 (1), Nafion-3.8 (2), Nafion-6.7 (3)

Baixar (367KB)
Metadados
4. Fig. 3. Temperature dependences of ionic conductivity of Nafion-0 (1), Nafion-3.8 (2), Nafion-6.7 (3) membranes

Baixar (215KB)
Metadados
5. Fig. 4. Stress-strain curves. Nafion-0 (1), Nafion-3.8 (2), Nafion-6.7 (3)

Baixar (208KB)
Metadados

Declaração de direitos autorais © Russian Academy of Sciences, 2024

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».