快捷搜索:  www.ymwears.cn

含有聚合离子液体的薄膜的电容

电极-聚合物界面可以决定薄膜的电容、电场和电荷输运等性质,但科学家们仍然需要充分理解它们的界面动力学。在一份最新的科学进展报告中,来自美国和波兰的Rajiv Kumar和一个跨学科科学家团队研究了一种咪唑基聚合离子液体(PolyIL)的带电界面,以了解电场在电极-聚合物界面引起的转变。为了实现这一目标,他们结合使用了宽带介电光谱(BDS)、镜面中子反射率和分子动力学模拟。电容取决于外加电压,而外加电压是由吸附聚合物层的响应引起的。这项工作将为研究影响电极-聚合物界面结构和性能的特性提供见解,从而设计下一代能量存储和收集设备。

电双层(EDL)是所有离子材料所共有的通电界面的普遍特征,它能自发地在超级电容器等设备中形成存储电能。科学家的目的是了解EDLs的结构和性能之间的关系,以控制装置的特性,包括电化学存储装置的电容和电池的充放电率。过去二十年的研究主要集中在理解与电荷存储特性相关的外加电场中EDLs的结构变化。结果表明,静电和拥挤效应之间的相互作用是负责解剖的EDLs在离子液体(ILs)。然而,聚合物电解质(如聚合离子液体(PolyILs))在电池、太阳能电池、执行器和超级电容器中应用的无溶剂有机电解质,其电容的了解相对较少。该聚苯胺具有可调的力学性能,稳定性高,不易燃。

当偏置电压施加在离子液体上时,科学家预计阳离子会向负极迁移,阴离子会向正极迁移,从而在两个电极上形成EDL(电双层)。然而,虽然分子动力学模拟已经为离子液体的不同结果提供了见解,但多ils中的EDL的结构目前还不清楚。Kumar等人因此研究了带正电荷的咪唑基聚il与双(三氟甲烷)磺酰亚胺作为反离子的电极-聚合物界面。他们使用宽带介电光谱(BDS)的组合,并通过瑞利基方法模拟电极极化现象,以获得电极-聚合物界面的电容,并利用这些信息改善器件的存储性能。

宽带介电光谱学测量

该小组获得了具有代表性的宽带介电光谱学(BDS)测量结果,测量的频率与所施加的直流电压有关。利用实验协议,他们改变施加的电压,以获得包含三个不同区域的光谱。通常研究人员可以通过阻抗谱和拟合等效电路模型来确定吸附层、扩散层和电容的厚度。虽然有用,但基于等效电路提取的数量的物理解释可能带来挑战。因此,Kumar等人使用电极极化模型从BDS光谱中提取电容,该模型基于之前设计的瑞利基方法。

然后他们假设模型中的每个电极都有一层低介电质的材料,与具有均匀静电介电常数的聚合物膜接触。该团队使用该模型来解释基于光谱测量的类似多边形的充电动力学,这与基于脉冲场梯度的核磁共振(PFG-NMR)测量非常一致。利用该模型,科学家们提取了聚苯胺薄膜的低介电层的表观厚度和相互扩散的长度。低介电层的厚度与外加电压呈非单调关系,随直流电压的增加而增大。

Capacitance-voltage曲线

该团队获得了骆驼形状的电容-电压曲线,与在粗糙表面离子液体的原子分子动力学模拟中预测的曲线相似。在硅电极和金属电极表面都有预吸附层,其电压依赖性决定电容。因此,外加电压的变化改变了吸附层,从而决定了电容-电压关系,突出了预吸附层的质量和化学对设计高效的储能装置的重要性。该团队使用了最小模型,简化了假设和研究中导出的数值方程,从BDS测量中构建了电容-电压关系。

通过这种方法,Rajiv Kumar和他的同事利用宽带介电光谱测量、中子反射和基于模型的方法研究了电极聚il(聚合离子液体)表面。他们注意到电极上存在一个预吸附层,这决定了电极-聚il界面的测量阻抗和电容。他们预计电极极化模型的预吸附层会出现在大多数其他含有类似电荷多极子的薄膜中,并对电容有很大的贡献。科学家们希望这种现象能改善能源储存和收集设备的应用。

?2020科学X网络

您可能还会对下面的文章感兴趣: