સિલિકા જેલ સોલિડ નેનોકોમ્પોઝિટ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ ઇન્ટરફેસિયલ વાહકતા પ્રમોશન સાથે આયનીય લિક્વિડ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ ફિલરની બલ્ક લિ-આયન વાહકતા કરતાં વધી જાય છે

સોલિડ-સ્ટેટ લિ-આયન બેટરીમાં સંક્રમણ 1000 કલાક/લિટર અને તેનાથી વધુની ઉર્જા ઘનતા તરફ પ્રગતિને સક્ષમ કરશે.નોનવોલેટાઇલ આયનીય લિક્વિડ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ ફિલર્સથી ભરેલા મેસોપોરસ ઓક્સાઇડ મેટ્રિક્સના સંયોજનોને ઘન ઇલેક્ટ્રોલાઇટ વિકલ્પ તરીકે શોધવામાં આવ્યા છે.જો કે, નેનોમીટર-કદના છિદ્રોની અંદર ઇલેક્ટ્રોલાઇટ સોલ્યુશનની સરળ મર્યાદા સ્નિગ્ધતામાં વધારો થવાથી ઓછી આયન વાહકતા તરફ દોરી જાય છે.અહીં, અમે દર્શાવીએ છીએ કે આયનીય પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટ ફિલર સાથે મેસોપોરસ સિલિકા મોનોલિથ ધરાવતા નેનોકોમ્પોઝીટ્સની લિ-આયન વાહકતા ઇન્ટરફેસિયલ બરફના સ્તરની રજૂઆત દ્વારા શુદ્ધ આયનીય પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટ કરતા અનેક ગણી વધારે હોઈ શકે છે.આયનીય પ્રવાહી પરમાણુઓનું મજબૂત શોષણ અને ક્રમ તેમને સ્થિર અને નક્કર બનાવે છે જેમ કે ઇન્ટરફેસિયલ બરફના સ્તર માટે.એડસોર્બેટ મેસોફેસ સ્તર ઉપરનો દ્વિધ્રુવ ઉન્નત વહન માટે Li+ આયનોના ઉકેલમાં પરિણમે છે.આયન વહન ઉન્નતીકરણના પ્રદર્શિત સિદ્ધાંતને વિવિધ આયન પ્રણાલીઓ પર લાગુ કરી શકાય છે.

સોલિડ-સ્ટેટ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ લિ-આયન બેટરી માટે 800 W·hour/liter અથવા 300 W·hour/kg ની વર્તમાનમાં ઉપલબ્ધ કેથોડ અને એનોડ રસાયણશાસ્ત્ર પર લાદવામાં આવેલી પ્રાયોગિક મર્યાદાને ઓળંગવા માટે આગામી બુસ્ટ પ્રદાન કરે તેવી અપેક્ષા છે.સોલિડ-સ્ટેટ બેટરીઓ માટે ઉર્જા ઘનતામાં અપેક્ષિત વધારો કેટલાક યોગદાનથી આવે છે, જે તમામ સેલમાં સક્રિય સામગ્રીના વોલ્યુમ ટકામાં વધારો કરવાનું લક્ષ્ય બનાવે છે.ગ્રેફાઇટ અને ગ્રેફાઇટ/સિલિકોનને એનોડ તરીકે બદલવા માટે લિથિયમ ધાતુની રજૂઆત સૌથી વધુ પ્રચારિત છે.શુદ્ધ લિથિયમ ધાતુમાં સૌથી વધુ ઉર્જા ઘનતા હોય છે અને તેથી તેને ઓછામાં ઓછી જગ્યાની જરૂર પડે છે.જો કે, હજુ પણ ઘણા મુદ્દાઓ ઉકેલવાની જરૂર છે, જેમ કે લિથિયમ ધાતુની બદલી ન શકાય તેવી પ્રતિક્રિયા (અને આમ વપરાશ), ડેંડ્રાઈટની રચના, છિદ્રાળુ ગ્રેફાઈટ (સિલિકોન) ઈલેક્ટ્રોડ્સની તુલનામાં પ્લેનર લિથિયમ ફોઈલ માટે અસરકારક વર્તમાન ઘનતામાં વધારો, અને છેલ્લા પરંતુ ઓછામાં ઓછું નથી, ડિસ્ચાર્જ (ડિપ્લેટિંગ) દરમિયાન લિથિયમનું "અદૃશ્ય થઈ જવું" અને તેથી ઘન ઇલેક્ટ્રોલાઇટ સાથેનો સંપર્ક ગુમાવવો.સિરામિક સોલિડ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સની યાંત્રિક રીતે સખત પ્રકૃતિ ખરેખર શૂન્ય પાલન ધરાવે છે, અને ઘન ઇલેક્ટ્રોલાઇટ ઘટક સામે લિથિયમને નિશ્ચિતપણે દબાવવા માટે ભારે દબાણ લાગુ કરવાની જરૂર છે.અલગ દબાણ બિંદુઓ અસરકારક સપાટી વિસ્તારને વધુ ઓછો કરે છે, જે સ્થાનિક ડેંડ્રાઈટની રચના અને સ્પૉંગી થાપણો તરફ દોરી જાય છે.પોલિમર ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ વધુ યાંત્રિક રીતે સુસંગત છે પરંતુ હજુ સુધી ઓરડાના તાપમાને પૂરતી ઊંચી આયનીય વાહકતા પ્રદર્શિત કરતા નથી.આ સંદર્ભમાં ખૂબ જ રસપ્રદ નવી સામગ્રી સિલિકા જેલ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ છે, જેને "આયોનોજેલ્સ" તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે, જ્યાં આયનીય પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટ (ILE) નેનોપોરસ સિલિકા મેટ્રિક્સ (1) માં સીમિત કરવામાં આવે છે.સિલિકા મેટ્રિક્સ (70 થી 90%) ની અત્યંત ઊંચી છિદ્રાળુતા આ નેનોકોમ્પોઝીટ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ સામગ્રીને જેલ જેવી સુસંગતતા આપે છે અને આ રીતે તેમને પોલિમર ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સની જેમ યાંત્રિક રીતે સુસંગત બનાવે છે.આ સિલિકા જેલ્સને કેટલીકવાર હાઇબ્રિડ સોલિડ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ તરીકે સૂચવવામાં આવે છે, કારણ કે તેમાં પ્રવાહી હોય છે.જો કે, સિલિકા નેનોકોમ્પોઝીટ્સ માટે, જેમ કે આ પેપરમાં વર્ણવેલ છે, આયનીય "પ્રવાહી" ઇલેક્ટ્રોલાઇટ ઘન બની જાય છે જ્યારે દસ નેનોમીટર-કદની ચેનલોમાં સ્નિગ્ધતામાં વધારો થવાથી અને સિલિકા દિવાલ પરના શોષણ દ્વારા સીમિત હોય છે. ચેનલજો સિલિકા મેટ્રિક્સ માત્ર છિદ્રાળુ વિભાજક તરીકે કાર્ય કરશે, તો મર્યાદિત પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટ માટે સ્નિગ્ધતામાં વધારો આયનીય વાહકતામાં ઘટાડો તરફ દોરી જશે.તેના બદલે, ILE અણુઓ અને સિલિકા છિદ્રની દીવાલ વચ્ચેની ક્રિયાપ્રતિક્રિયા નેનોકોમ્પોઝિટના ગુણધર્મોને તેના વ્યક્તિગત ઘટકોના સરવાળાથી અલગ બનાવે છે.ઘન મેસોફેઝ સ્તરોની જાડાઈમાં થોડા નેનોમીટર સુધીની રચના સાથે ઓક્સાઇડ પર આયનીય પ્રવાહીનું શોષણ અણુ બળ માઇક્રોસ્કોપી (2) સાથે પ્લેનર સપાટી પર દર્શાવવામાં આવ્યું છે.ઓક્સાઇડ સપાટી પર આયનીય પ્રવાહી આયન અને કેશનનું પસંદગીયુક્ત શોષણ આ ઇન્ટરફેસો સાથે ઉન્નત Li+ વાહકતા તરફ દોરી શકે છે.અલબત્ત, ઓક્સાઈડ ઈન્ટરફેસ સાથેના ઉન્નતીકરણને છિદ્રોના મુખ્ય ભાગમાં બંધાયેલા ILE દ્વારા ઘટેલી વાહકતા માટે વળતર આપવું પડશે અથવા તો તેનાથી પણ વધી જશે.તેથી, નાના છિદ્રનું કદ અને ઉચ્ચ સપાટીથી વોલ્યુમ ગુણોત્તર ઇચ્છિત છે.અત્યાર સુધી, આયન વાહકતા સાથેના આયોનોજેલ્સ પોતે ILE ની નજીક આવે છે તે મેસોપોરસ સ્ટ્રક્ચર (3) ના ઑપ્ટિમાઇઝેશન દ્વારા દર્શાવવામાં આવ્યા છે.આનો અર્થ એ છે કે ઇન્ટરફેસ ઉન્નતીકરણ પહેલેથી જ હાજર હતું પરંતુ બલ્ક વાહકતા ઓળંગવાની હદ સુધી નહીં.

આયોનોજેલ્સની તૈયારી સજાતીય પ્રવાહી મિશ્રણથી શરૂ થાય છે, જેમાં ઓક્સાઇડ મેટ્રિક્સ (4, 5) ના સંશ્લેષણ માટે સોલ-જેલ પ્રિકર્સર સોલ્યુશનમાં ILE ઉમેરવામાં આવે છે.આ પદ્ધતિમાં, ILE અને મેટ્રિક્સ "અનસીટ" રીતે સંયુક્ત બનાવે છે: સોલ્યુશનમાં પુરોગામી પ્રક્રિયામાં તેને સમાવિષ્ટ કરીને, આયનીય પ્રવાહી નમૂનાની આસપાસ ઓક્સાઇડ મેટ્રિક્સ બનાવવા માટે પ્રતિક્રિયા આપે છે.ચોક્કસ સંશ્લેષણની પરિસ્થિતિઓ હેઠળ, તૈયાર કરેલ ILE-SCE (સોલિડ કમ્પોઝિટ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ) સતત મેસોપોરસ ઇનઓર્ગેનિક ઓક્સાઇડ નેટવર્કમાં જડિત ILE સાથે મોનોલિથના સ્વરૂપમાં હોઈ શકે છે.અત્યાર સુધી, મોટે ભાગે સિલિકા-આધારિત ILE-SCE આ રીતે તૈયાર કરવામાં આવ્યા છે, જોકે ઉદાહરણો એલ્યુમિના (6), ટાઇટેનિયા (7), અને ટીન ઓક્સાઇડ (8) સાથે પણ બનાવવામાં આવ્યા છે.સૌથી વધુ નોંધાયેલા સોલ-જેલ ફોર્મ્યુલેશનમાં ILE, એક આલ્કિલ-સિલિકેટ જેમ કે ટેટ્રાઇથિલ ઓર્થોસિલિકેટ (TEOS) સિલિકા પુરોગામી તરીકે અને ફોર્મિક એસિડ રીએજન્ટ અને દ્રાવક (9, 10) હોય છે.આ સોલ-જેલ પ્રક્રિયા માટે સૂચિત પદ્ધતિ (11) અનુસાર, સિલિકા મુખ્યત્વે TEOS અને ફોર્મિક એસિડ વચ્ચેની પ્રતિક્રિયા દ્વારા ઉત્પન્ન થાય છે, જો કે સોલ-જેલ પ્રક્રિયા દરમિયાન પાણી ઉત્પન્ન થાય છે.આ ફોર્મિક એસિડ-આધારિત "નોનક્વીયસ" મિશ્રણો ઉપરાંત, ઉત્પ્રેરક તરીકે HCl સાથે જલીય સોલ-જેલ ફોર્મ્યુલેશન અને રીએજન્ટ (વત્તા કાર્બનિક દ્રાવક) તરીકે H2O પણ વર્ણવવામાં આવ્યા છે, જો કે, આ ચોક્કસ કિસ્સામાં સિલિકા સંયોજનના સંશ્લેષણ માટે માત્ર આયનીય પ્રવાહી (12-15).

સામાન્ય રીતે, આયોનોજેલ્સ ILE સંદર્ભ કરતા ઓછી આયન વાહકતા દર્શાવે છે.આયોનોજેલ્સની પ્રથમ પેઢીમાં સામાન્ય રીતે જથ્થાબંધ ILE મૂલ્યના માત્ર 30 થી 50% જેટલા ઓરડાના તાપમાને વાહકતા હતી, જો કે 80% સુધી પહોંચતા કેટલાક ઉદાહરણો નોંધવામાં આવ્યા છે (9, 10, 16, 17).ILE સામગ્રીની અસર અને ionogel વાહકતા પર પરિણામી છિદ્ર મોર્ફોલોજીની પહેલાથી જ વિગતવાર તપાસ કરવામાં આવી છે (3);જો કે, ઈન્ટરફેસ ઉન્નતીકરણ અસરોનો કોઈ પદ્ધતિસરનો અભ્યાસ જાણીતો નથી.વુ એટ અલ.(18) તાજેતરમાં એક ઇન સિટુ ફંક્શનલાઇઝ્ડ આયોનોજેલ પર અહેવાલ આપ્યો, જેણે બલ્ક ILE ની તુલનામાં વાહકતા વૃદ્ધિ પણ આપી.સિલિકા સપાટી પર એનિઓન અને 3-ગ્લાયસિડીલોક્સીપ્રોપીલ ફંક્શનલ ગ્રુપ વચ્ચેની ક્રિયાપ્રતિક્રિયાને આભારી છે.આ શોધ એ વિચારને સમર્થન આપે છે કે સપાટીનું કાર્યક્ષમીકરણ ખરેખર ઇન્ટરફેસ વહન પ્રમોશનને વધારી શકે છે.

આ કાર્યમાં, અમે સિલિકા પર નક્કર બરફના પાણીના સ્તરની પરિસ્થિતિમાં રચનાનું નિદર્શન કરીએ છીએ અને સપાટીના બરફના કાર્યાત્મક સ્તર અને શોષિત આયનીય પ્રવાહી મેસોફેસ સ્તર વચ્ચે વધેલી દ્વિધ્રુવી ક્રિયાપ્રતિક્રિયા દ્વારા ઇન્ટરફેસિયલ લિ-આયન વહનની પદ્ધતિને વિગતવાર કરીએ છીએ.ઉચ્ચ આંતરિક સપાટી વિસ્તાર અને ગાઢ બરફ કાર્યાત્મક સ્તરના સંયોજન દ્વારા, બલ્ક ILE સંદર્ભ કરતાં 200% વધુ લિ-આયન વાહકતા સાથે ઘન નેનોકોમ્પોઝિટ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ (નેનો-એસસીઇ) પ્રાપ્ત કરવામાં આવ્યા હતા.સિલિકા મેટ્રિક્સ 90% અને 1400 m2/g સુધીના છિદ્રો અને સપાટીના વિસ્તારો સાથેનું સાચું મોનોલિથિક મેસોપોરસ માળખું ધરાવે છે, આમ આ ઇન્ટરફેસો સાથે વહન વૃદ્ધિના મોટા યોગદાનને મંજૂરી આપતા આત્યંતિક સપાટી-થી-વોલ્યુમ ગુણોત્તર પ્રદાન કરે છે.સિલિકા સપાટીના ઑપ્ટિમાઇઝ ફંક્શનલાઇઝેશન દ્વારા સપાટી-થી-વોલ્યુમ ગુણોત્તરને મહત્તમ કરીને, 10 mS/cm કરતાં વધુ આયન વાહકતા સાથે નેનો-SCE સંભવિત રીતે એન્જિનિયર્ડ થઈ શકે છે અને આ રીતે ઓટોમોટિવ એપ્લિકેશનો માટે મોટી-ક્ષમતા ધરાવતી બેટરીઓ માટે ખૂબ જ આકર્ષક છે.

અમારા પેપરનું ધ્યાન રામન, ફૌરિયર ટ્રાન્સફોર્મ ઇન્ફ્રારેડ (FTIR) અને ન્યુક્લિયર મેગ્નેટિક રેઝોનન્સ (NMR) સ્પેક્ટ્રોસ્કોપીના પુરાવા સાથે મેસોફેસ સ્તરની રચના દ્વારા ઉન્નત ઇન્ટરફેસ વાહકતાની પદ્ધતિ પર છે.ઉચ્ચ વોલ્ટેજ પર અમારી નેનો-એસસીઇ સામગ્રીની ઇન્ટરફેસ સ્થિરતા પાતળા-ફિલ્મ લિથિયમ મેંગેનીઝ ઓક્સાઇડ (LMO) ઇલેક્ટ્રોડ્સનો ઉપયોગ કરીને દર્શાવવામાં આવે છે.આ રીતે, ઇલેક્ટ્રોડ એકીકરણ અને સેલ એસેમ્બલી મુદ્દાઓને બદલે સામગ્રી પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરે છે.તેવી જ રીતે, ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ વિન્ડો અને લિથિયમ મેટલ ફોઇલ્સ સામે સ્થિરતા સંપૂર્ણપણે લાક્ષણિકતા ધરાવે છે.અમારા નેનો-એસસીઇની કાર્યક્ષમતા અને એકીકરણ લિથિયમ આયર્ન ફોસ્ફેટ (LFP) અને લિથિયમ ટાઇટેનેટ (LTO) કોષોના એસેમ્બલી અને રેટ પ્રદર્શન પરીક્ષણો દ્વારા દર્શાવવામાં આવે છે.અમારા ઇલેક્ટ્રોલાઇટની સ્થિરતા અને બરફના પાણીની ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ નિષ્ક્રિયતા સપ્રમાણ Li-SCE-Li કોષોના લાંબા ગાળાના સાયકલિંગ દ્વારા દર્શાવવામાં આવી હતી.એનર્જી ડેન્સિટીનું ઑપ્ટિમાઇઝેશન, રેટ પર્ફોર્મન્સ અને સંપૂર્ણ રીતે એસેમ્બલ થયેલા કોષોનું સાઇકલિંગ પર્ફોર્મન્સ ફોલો-અપ પેપર્સનું ફોકસ હશે (19, 20).

બે-તબક્કાની સંયુક્ત પ્રણાલીઓમાં ઇન્ટરફેસિયલ આયન વાહકતા પ્રમોશન લગભગ 90 વર્ષથી જાણીતું છે (21).ઉદાહરણ તરીકે, શુદ્ધ લિથિયમ સોલ્ટ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ (22) ની આયન વાહકતાની તુલનામાં સિલિકા અથવા એલ્યુમિના જેવા મેસોપોરસ ઓક્સાઇડ કણો સાથે લિથિયમ આયોડાઇડ જેવા સરળ લિથિયમ મીઠાના મિશ્રણો માટે આયનીય વાહકતા વધારવાના ચાર ઓર્ડર દર્શાવવામાં આવ્યા છે.આ SCE માં આયનો ઓક્સાઈડ/ઈલેક્ટ્રોલાઈટ ઈન્ટરફેસ પર રચાયેલા લિ આયન-ક્ષીણ (અથવા ખાલી જગ્યાથી ભરપૂર) વિદ્યુત ડબલ સ્તર સાથે ખૂબ જ ઝડપથી પ્રસરી શકે છે.કમનસીબે, આ સરળ બે-ઘટક અકાર્બનિક સોલિડ-સોલિડ કમ્પોઝિટ (1) માં મેળવેલી આયન વાહકતા લિ-આયન બેટરીમાં વર્તમાન કલેક્ટર પ્લેટો વચ્ચેના થોડાક સો-માઈક્રોમીટર અંતરને દૂર કરવા માટે જરૂરી 1-mS/cm2 થ્રેશોલ્ડને ઓળંગી નથી. .આયનીય વાહકતાને એન્જીનિયર કરવા માટે ઓક્સાઇડ મેટ્રિક્સ સાથે વિજાતીય ડોપિંગની વિભાવના પોલિમર ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ (23) અને ILEs (24) માટે પણ અન્વેષણ કરવામાં આવી છે, જેની સાથે શરૂ કરવા માટે ઉચ્ચ આંતરિક આયનીય વાહકતા છે.વધુમાં, ત્રીજા ઘટકની સમૃદ્ધ મોલેક્યુલર (સ્ટીરિયો) રસાયણશાસ્ત્ર વધારાની આયન વહન પદ્ધતિઓ ખોલે છે, કારણ કે (ડી)ધ્રુવીય દ્રાવક જેવા અણુઓ વિદ્યુત ડબલ સ્તરની રચનામાં ભાગ લઈ શકે છે.જ્યારે પોલિઇથિલિન ઓક્સાઇડ પોલિમર ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સમાં ઇથર જૂથોની ઉકેલવાની ક્રિયા LiClO4 માટે ~10−6 S/cm ની ઘન-સ્થિતિ આયન વાહકતા પૂરી પાડે છે અને LiN(SO2CF3)2 માટે ~10−5 S/cm, સિલિકા, એલ્યુમિના સાથેના તેમના સંયોજનો. , અથવા ટાઇટેનિયા નેનોપાર્ટિકલ્સ ખરેખર માપેલ આયન વાહકતા (25) માં 10-ગણો વધારો કરી શકે છે, કમનસીબે, હજુ પણ 1 mS/cm ના ઓરડાના તાપમાનના થ્રેશોલ્ડથી નીચે છે.ILE સોલ્યુશન્સ એ Li-ક્ષાર દ્રાવક અને આયનીય પ્રવાહી દ્રાવકનું મિશ્રણ છે, જે પહેલેથી જ 0.1 અને 10 mS/cm (26, 27) ની વચ્ચે ઉચ્ચ આંતરિક આયનીય વાહકતા ધરાવી શકે છે.ઓક્સાઇડ નેનોપાર્ટિકલ્સ સાથે તેને મિશ્રિત કરીને અથવા જેલ કરીને અથવા મેસોપોરસ માઇક્રોપાર્ટિકલ્સ (9, 16, 28, 29) માં આઇએલઇને સીમિત કરીને આયન વાહકતાને વધારવાના ઘણા પ્રયાસો કરવામાં આવ્યા છે.જો કે, હજુ સુધી, ત્રણ ઘટક લિ-સોલ્ટ/આયનીક લિક્વિડ/ઓક્સાઇડ કમ્પોઝીટ (ફિગ. S1) માટે આયન વાહકતામાં કોઈ વધારો જોવા મળ્યો નથી.જોકે મેસોપોરસ સિલિકા માઇક્રોપાર્ટિકલ્સનો ઉપયોગ ઘન નેનોપાર્ટિકલ્સ સાથેના સંયોજનોની તુલનામાં ઉચ્ચ વાહકતામાં પરિણમે છે, ઇન્ટરફેસિયલ સપાટી વિસ્તાર અને આયન વહન પ્રમોશન બલ્ક ILE વાહકતાને ઓળંગવા માટે પૂરતું નથી.

મેસોપોરસ સિલિકા એક જાણીતી સામગ્રી છે જેનો ઉપયોગ ઉત્પ્રેરકમાં થાય છે.તે સામાન્ય રીતે હાઇડ્રોથર્મલ અથવા સરળ સોલ-જેલ સંશ્લેષણ દ્વારા બનાવવામાં આવે છે.હાઇડ્રોથર્મલ પ્રક્રિયાઓ સામાન્ય રીતે મેસોપોરસ પાઉડર તરફ દોરી જાય છે, પરંતુ ઓરડાના તાપમાને સોલ-જેલ પ્રક્રિયાના સાવચેત નિયંત્રણ સાથે, મોટા છિદ્રાળુ કાચના મોનોલિથ અથવા એરોજેલ્સ પણ બનાવવામાં આવ્યા છે.સિલિકા મેટ્રિક્સ ટેટ્રા-આલ્કિલ ઓર્થોસિલિકેટ્સ (30) ની હાઇડ્રોલિસિસ અને કન્ડેન્સેશન પ્રતિક્રિયાઓ દ્વારા રચાય છે.છિદ્રની રચનાના નિયંત્રણમાં ચાવી એ નમૂનાઓનો ઉપયોગ છે, ઉદાહરણ તરીકે, સર્ફેક્ટન્ટ-પ્રકારનું માઇસેલ, જેની આસપાસ સિલિકા મેટ્રિક્સ રચાય છે.જ્યારે આયનીય પ્રવાહીને ટેમ્પ્લેટિંગ પરમાણુ તરીકે ઉમેરવામાં આવે છે, ત્યારે હાઇડ્રેટેડ સિલિકા મેટ્રિક્સ આયનીય પ્રવાહી સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરે છે, જેલ બનાવે છે, અને ક્યોરિંગ અને સૂકાયા પછી, આયનીય પ્રવાહી ઘન નેનોપોરસ સિલિકા મેટ્રિક્સ (13) ની અંદર મર્યાદિત હોય છે.જ્યારે લિથિયમ મીઠું ત્રીજા ઘટક તરીકે ઉમેરવામાં આવે છે, ત્યારે સિલિકા મેટ્રિક્સમાં બંધાયેલ ILE સિલિકા જેલ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ બનાવે છે, જેને આયોનોજેલ (24) તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે.જો કે, અત્યાર સુધી, આ સિલિકા જેલ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ જથ્થાબંધ ILE ની નજીક આવતી વાહકતા દર્શાવે છે પરંતુ તે ઓળંગતી નથી, સિવાય કે જ્યાં સિલિકાને રાસાયણિક રીતે કાર્ય કરવામાં આવ્યું હોય (જુઓ પરિચય) (18).

અહીં, અમે શુદ્ધ ILE ની બહાર નેનોકોમ્પોઝિટની લિ-આયન વાહકતાનું વ્યવસ્થિત પ્રમોશન બતાવીએ છીએ.1-butyl-1-methylpyrrolidinium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (BMP-TFSI)નું ઉદાહરણ અહીં વપરાય છે.એવું માનવામાં આવે છે કે ઓએચ-ટર્મિનેટેડ સિલિકા સપાટી પર આયનીય પ્રવાહી પરમાણુઓના શોષણને ઇન્ટરફેસિયલ બરફના પાણીના સ્તરની હાજરી દ્વારા પ્રોત્સાહન આપવામાં આવે છે.બરફના પાણી અને TFSI− આયન વચ્ચેનું મજબૂત હાઇડ્રોજન બંધન આયનીય પ્રવાહીના પરમાણુ ક્રમને પ્રેરિત કરે છે, જે આયનીય પ્રવાહીમાં સ્વયંભૂ રીતે રચાય છે તેવા ક્રમાંકિત ડોમેન્સ જેવું જ છે (31).બલ્ક ILE માં અવ્યવસ્થિત રીતે રચાયેલા ડોમેન્સ સાથેનો મુખ્ય તફાવત એ છે કે બરફનું સ્તર કાર્યાત્મક સ્તર તરીકે કાર્ય કરે છે જે (i) ઓક્સાઇડ સપાટી પર મોલેક્યુલર ક્રમને પ્રેરિત કરે છે અને (ii) મુક્ત Li+ મુક્ત કરવા માટે દ્વિધ્રુવોને પ્રેરિત કરવા માટે પૂરતા પ્રમાણમાં મજબૂત H-બંધન રજૂ કરે છે. ઉન્નત વહન માટે.મફત Li+ સાંદ્રતામાં વધારાની બાજુમાં, અમે બતાવીશું કે શોષિત ILE સ્તર અને બરફના પાણીના સ્તર સાથે સંયુક્ત ઇન્ટરફેસ સાથે પ્રસરણ માટે સક્રિયકરણ ઊર્જા ઓછી છે.

સિલિકા પર થોડા-મોનોલેયર-જાડા સપાટીના પાણીનું સ્તર ઘન જેવું સ્તર છે, કારણ કે તે એચ-બ્રિજ દ્વારા સિલાનોલ જૂથો સાથે મજબૂત રીતે બંધાયેલું છે અને તેથી તેને બરફના સ્તર તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે (32).તેની ઘનતા અને જાડાઈ (આઇસ મોનોલેયર દીઠ ~0.25 એનએમ સાથે ત્રણથી ચાર મોનોલેયર સુધી અંદાજિત) પર્યાવરણમાં આંશિક પાણીના દબાણ [સાપેક્ષ ભેજ (આરએચ)] સાથે થર્મોડાયનેમિક સંતુલનમાં છે (ફિગ. S2).અમે બતાવીએ છીએ કે બરફના પાણીના સ્તરની જાડાઈ સાથે આયન વાહકતા વધે છે કારણ કે શોષિત આયનીય સ્તરો સાથે હાઇડ્રોજન બંધન પણ વધે છે.બરફનું પાણીનું સ્તર રાસાયણિક સંયોજનોમાં ક્રિસ્ટલ પાણી જેવું જ સ્થિર છે.આ મીઠાના મિશ્રણમાં સુપર કોન્સન્ટ્રેટેડ જલીય ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ અથવા કહેવાતા પાણીથી તદ્દન વિપરીત છે, જ્યાં ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ વિન્ડો તીવ્રપણે પહોળી થાય છે પરંતુ, આખરે, પાણી હજુ પણ ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ રીતે સક્રિય છે (33).

લાક્ષણિક ફોર્મિક એસિડ-ઉત્પ્રેરિત આયોનોજેલ રેસિપીથી અલગ, અમે વધુ પાણી અને PGME (1-methoxy-2-propanol) સાથે હળવા pH 5 મિશ્રણનો ઉપયોગ Li-TFSI મીઠું અને BMP-TFSI આયનીય પ્રવાહી સાથે TEOS પૂર્વગામીમાં ઉમેર્યો.આ પીએચ પર, હાઇડ્રોલિસિસ પ્રતિક્રિયાઓ ધીમી હોય છે, જ્યારે ઘનીકરણ અનુકૂળ હોય છે (30).લિ આયનો હાઇડ્રોલિસિસ પ્રતિક્રિયા માટે ઉત્પ્રેરક તરીકે કામ કરે છે તેવું માનવામાં આવે છે, કારણ કે લિથિયમ મીઠાની ગેરહાજરીમાં કોઈ જિલેશન થયું ન હતું જ્યારે બંનેમાં 5 સમાન pH હતું. TEOS (અને આમ સિલિકા મોઇટીઝ) માટે આયનીય પ્રવાહીનો દાઢ ગુણોત્તર છે. x મૂલ્ય તરીકે દર્શાવવામાં આવ્યું હતું અને તે 0.25 અને 2 ની વચ્ચે બદલાયું હતું. BMP-TFSI થી Li-TFSI નું દાળ ગુણોત્તર 3 (1 M Li-ion ઉકેલને અનુરૂપ) રાખવામાં આવ્યું હતું.મોનોલિથ સ્ટ્રક્ચરની માળખાકીય અખંડિતતા જાળવવા માટે ધીમી સૂકવણી જરૂરી હતી (સામગ્રી અને પદ્ધતિઓ જુઓ).આકૃતિ 1A શૂન્યાવકાશ સૂકવણી પછી મેળવેલી એકવિધ પેલેટનો ફોટોગ્રાફ બતાવે છે.72-કલાકનું વેક્યૂમ સૂકવણી તમામ ભેજને એક બિંદુ સુધી દૂર કરવા માટે પૂરતું હતું જ્યાં તમામ મુક્ત પાણી દૂર કરવામાં આવ્યું હતું જ્યારે શોષિત બરફના પાણીનું સ્તર સંપૂર્ણપણે અકબંધ રહેતું હતું, જેમ કે FTIR દ્વારા પુષ્ટિ કરવામાં આવી છે.શૂન્યાવકાશ સૂકવવાના પગલા (ફિગ. 2) પછી કોઈપણ નમૂનામાં 1635 cm−1 પર મુક્ત પાણી માટે કોઈ સ્પંદનો જોવા મળ્યા નથી.સરખામણી માટે, 60% RH પર N2 ગ્લોવ બોક્સમાં 1 અઠવાડિયા માટે સંગ્રહિત નેનો-SCE નમૂના (x = 1.5) માટે FTIR સ્પેક્ટ્રમ બતાવવામાં આવે છે.આ કિસ્સામાં, સ્પષ્ટ મુક્ત પાણીની ટોચ દેખાય છે.બીજી બાજુ, તમામ નમૂનાઓએ સિલેનોલ સપાટીના કાર્યક્ષમતા (950 અને 980 cm−1 વચ્ચે નમતું Si─OH) અને શોષિત બરફના પાણીનું સ્તર (~3540 cm−1 પર વિસ્તરેલું O─H) માટે સ્પષ્ટ સંકેત દર્શાવ્યો હતો. H-બંધન દ્વારા ─OH સપાટી જૂથો (નીચે વધુ વિગતો).નેનો-એસસીઇ (કોષ્ટક S1) માં જળવાઈ રહેલ પાણીને માપવા માટે સૂકવણીના પગલા પહેલા અને પછી શીશીઓનું વજન કરવામાં આવ્યું હતું.પાછળથી, અમે વધારાના વજનમાંથી સપાટી-બાઉન્ડ બરફના સ્તરોના અનુરૂપ મોનોલેયર્સની સંખ્યાની ગણતરી કરીશું.શૂન્યાવકાશ-સૂકા ગોળીઓને ગ્લોવ બોક્સમાં લાવવામાં આવી હતી [<0.1-ppm (પાર્ટ્સ દીઠ મિલિયન) H2O] અને મૂળ પાણીની સામગ્રીને જાળવી રાખવા માટે બંધ શીશીઓમાં સંગ્રહિત કરવામાં આવી હતી.વધુ લાક્ષણિકતા માટે પેલેટમાંથી એક નાનો જથ્થો લેવામાં આવ્યો હતો.

(A) શીશીમાં સંશ્લેષિત બે નેનો-એસસીઇ ગોળીઓ (ડાબે) નું ચિત્ર;જીલેશન પછી, એક પારદર્શક પેલેટ મેળવવામાં આવે છે.નોંધ કરો કે પેલેટ સંપૂર્ણપણે પારદર્શક છે અને તેથી દૃશ્યતા માટે તેને વાદળી રંગ આપવામાં આવ્યો હતો.જ્યારે ILE દૂર કરવામાં આવે છે, ત્યારે અત્યંત છિદ્રાળુ સિલિકા મેટ્રિક્સ (જમણે) માટે બરડ સફેદ પેલેટ રહે છે.(B) SiO2 મેટ્રિક્સની ઈલેક્ટ્રોન માઈક્રોસ્કોપી (SEM) ઈમેજ સ્કેન કરી રહી છે જે ILE દૂર કર્યા પછી રહે છે.(C) કેટલાક મેક્રોપોર્સ સાથે મેટ્રિક્સ સામગ્રીની મેસોપોરસ પ્રકૃતિ દર્શાવતી (B) માં બતાવેલ ચિત્રનું ઝૂમ.(D) ટ્રાન્સમિશન ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપી (TEM) ઇમેજ છિદ્રાળુ મેટ્રિક્સ સામગ્રીના બિલ્ડિંગ બ્લોક્સ તરીકે 7- થી 10-nm સિલિકા નેનોપાર્ટિકલ્સનું ગાઢ પેકિંગ દર્શાવે છે.(E) SiO2 (x મૂલ્ય) ના સંદર્ભમાં ILE ના વિવિધ દાઢ ગુણોત્તર માટે રચાયેલ મેટ્રિક્સ માળખાની છિદ્રાળુતા.ડૅશ્ડ લાઇન ILE અને સિલિકાના વોલ્યુમ અપૂર્ણાંકમાંથી નિર્ધારિત સૈદ્ધાંતિક છિદ્રાળુતા આપે છે.એસીટોનથી ધોઈ નાખેલા નમૂનાઓ (કાળા ચોરસ) હવામાં સુકાઈ ગયા હતા, જે x > 0.5 માટે બંધારણનું આંશિક પતન આપે છે.ઇથેનોલ-રિન્સ્ડ નેનો-એસસીઇ (ગ્રીન સર્કલ) નું સુપરક્રિટિકલ CO2 સૂકવવાથી CO2 (ઓપન સર્કલ) ના વધારાના ધીમા નિરાકરણ માટે x = 2 સુધી પતન અટકાવે છે.BET, Brunauer-Emmett-Teller.ફોટો ક્રેડિટ: ફ્રેડ લૂઝન, imec;અકિહિકો સાગરા, પેનાસોનિક.

(A) નેનો-એસસીઈનો IR સ્પેક્ટ્રા શૂન્યાવકાશ (કાળો) માં સૂકવવામાં આવે છે અને ત્યારબાદ 9 દિવસ (વાદળી) માટે 0.0005% આરએચ સાથે ગ્લોવ બોક્સમાં વધુ સૂકવવામાં આવે છે અને 4 દિવસ (લાલ) અને 60 સુધી 30% આરએચના સંપર્કમાં આવે છે. અનુક્રમે 8 દિવસ (લીલો) માટે % RH.au, મનસ્વી એકમો.(B) 1.0 (વાદળી), 1.5 (લીલો), અને 2.0 (લાલ) અને ILE સંદર્ભ (કાળો) ના x મૂલ્યો સાથે Li/SCE/TiN સ્ટેકના ચક્રીય વોલ્ટમમોગ્રામ્સ;ઇન્સેટ લોગરીધમિક સ્કેલમાં વર્તમાન દર્શાવે છે.(C) Li/SCE (x = 2)/40-nm TiO2 સ્ટેક (લાલ), ILE (ડોટેડ બ્લેક), અને ILE 5 વેઇટ % (wt %) H2O (ડેશ-ડોટેડ બ્લુ લાઇન) સાથે સ્પાઇક કરેલ ચક્રીય વોલ્ટામોગ્રામ્સ;(B) અને (C) માં, H2O સાથે ILE અને ILE સાથેના માપન ત્રણ-ઇલેક્ટ્રોડ રૂપરેખાંકનમાં કાર્યકારી ઇલેક્ટ્રોડ તરીકે TiN અને કાઉન્ટર અને સંદર્ભ ઇલેક્ટ્રોડ તરીકે Li સાથે કરવામાં આવ્યા હતા.શૂન્યાવકાશ સૂકવણી પછી SCE ને ગ્લોવ બોક્સમાં 2 દિવસ માટે સૂકવવામાં આવ્યું હતું.

અમારા શૂન્યાવકાશ-એનિલ્ડ નેનો-SCE ની આયનીય વાહકતા (σi) કણો સંયોજનો (અંજીર S1) માટે ILE (x મૂલ્ય) ના વોલ્યુમ અપૂર્ણાંક સાથે વધી છે.જો કે, આ કિસ્સામાં, ઉચ્ચતમ x મૂલ્યો (ફિગ. 3) માટે આયનીય વાહકતા શુદ્ધ ILE કરતાં 200% કરતાં વધુ છે.વધુમાં, ઉન્નત આયન વાહકતા સાથે નેનો-એસસીઇની તાપમાન અવલંબન શુદ્ધ ILE કરતા અલગ વર્તન દર્શાવે છે: જ્યારે BMP-TFSI ILE માં Li-TFSI ગલન આસપાસ વાહકતા અને સક્રિયકરણ ઊર્જા (ઢોળાવ) માં સ્પષ્ટ ફેરફાર દર્શાવે છે. 29°C પર મિશ્રણનું બિંદુ, ઉન્નત વાહકતા સાથે નેનો-SCE એવું કરતું નથી.તેના બદલે, તે તાપમાન સાથે σi માં સતત ભિન્નતા દર્શાવે છે, જે દર્શાવે છે કે અગાઉ અજાણ્યા પ્રકારનો તબક્કો અથવા મેસોફેસ રચાય છે, જે પછી ઉન્નત વાહકતા માટે જવાબદાર છે.તદુપરાંત, ILE ની તુલનામાં નેનો-SCE માટે પ્રસરણ માટે નાની ઢોળાવ અને આ રીતે ઓછી સક્રિયકરણ ઊર્જા વિવિધ સામગ્રી ગુણધર્મો (અંજીર S3) દર્શાવે છે.એવું માનવામાં આવે છે કે આયનીય પ્રવાહી પરમાણુઓ અને સિલિકા સ્કેફોલ્ડ પરના ઘન બરફના સ્તર વચ્ચેની મજબૂત ક્રિયાપ્રતિક્રિયા અવલોકન કરાયેલ મેસોફેસ વર્તન માટે જવાબદાર છે, જેમ કે નીચે સૂચિત મોડેલ સાથે ચર્ચા કરવામાં આવશે.

(A) ગ્લોવ બોક્સ (GB) માં 2 (કાળા ચોરસ), 1.75 (નારંગી વર્તુળો), 1.5 (વાદળી ત્રિકોણ), અને 1.0 (લીલા ત્રિકોણ) ના x મૂલ્યો સાથે 8 દિવસ સુધી સૂકવવામાં આવેલ નેનો-એસસીઈની વાહકતાનું તાપમાન અવલંબન ) અને ILE સંદર્ભના (ખુલ્લા ચોરસ).(બી) નેનો-એસસીઈની વાહકતા વધુમાં 0 દિવસ (લીલા ચોરસ), 10 દિવસ (કાળો ત્રિકોણ) અને 138 દિવસ (વાદળી ત્રિકોણ) માટે જીબીમાં સુકાઈ જાય છે.(C) 2 (કાળા ચોરસ), 1.5 (વાદળી ત્રિકોણ), 1.0 (લીલા ત્રિકોણ), અને 0.5 (બ્રાઉન હીરા) ના x મૂલ્યો સાથે નેનો-SCE ના સૂકવવાના સમયના વર્ગમૂળ વિરુદ્ધ વાહકતા.(D) નેનો-SCE ની વાહકતા x = 2 (કાળા ચોરસ), 1.5 (વાદળી ત્રિકોણ), અને 1.0 (લીલા ત્રિકોણ) N2-ભરેલા ભેજવાળા ચેમ્બરમાં ખુલ્લી છે.

ગ્લોવ બોક્સમાં આર્ગોન વાતાવરણમાં 0.1 પીપીએમ કરતાં ઓછું પાણી હોય છે, જે 0.0005% આરએચ, 0.01 Paનું આંશિક પાણીનું દબાણ અથવા −88 °C ના ઝાકળ બિંદુને અનુરૂપ છે.સિલેનોલ-ટર્મિનેટેડ સિલિકા પર શોષિત પાણીના સ્તરોની સંખ્યા પાણીના આંશિક દબાણ (અંજીર S2) સાથે સંતુલનમાં હોવાથી, સપાટી પરનું પાણી ધીમે ધીમે નેનો-એસસીઇમાંથી બહાર નીકળી જશે અને કિનારીઓ પર ઉત્કૃષ્ટ થશે.આકૃતિ 3C ગ્લોવ બોક્સમાં રહેઠાણ સમયના કાર્ય તરીકે નેનો-SCE ના 23 μl માટે વાહકતામાં ફેરફાર દર્શાવે છે.ગ્લોવ બોક્સમાં 0.01 Pa ના પાણીના આંશિક દબાણ સાથે સમતુલામાં સિલિકા સપાટીને અનુરૂપ મૂલ્ય પર સંતૃપ્ત ન થાય ત્યાં સુધી સૂકવણી સાથે આયન વાહકતા ઘટે છે.ગ્લોવ બોક્સની આત્યંતિક શુષ્ક પરિસ્થિતિઓમાં પણ, ઓછામાં ઓછું, સિલાનોલ પર શોષાયેલા પાણીનું આંશિક મોનોલેયર હાજર છે, કારણ કે રમન સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી હજુ પણ 3524 સેમી-1 પર સંકેત દર્શાવે છે, જે સિલાનોલ પર શોષિત પાણીના પ્રથમ મોનોલેયર માટે વિશિષ્ટ છે. (ફિગ. 4B).સંતૃપ્ત સ્થિતિમાં આયન વાહકતા તમામ કેસોમાં વ્યક્તિગત ILE કરતા ઘણી ઓછી હતી.તેથી, છિદ્રના મુખ્ય ભાગમાં મર્યાદિત ILE ની આયનીય વાહકતામાં થયેલા નુકસાનને વળતર આપવા માટે ઉન્નતીકરણ પૂરતું નથી.

(A) 1.5 (લાલ), ILE સંદર્ભ (કાળો), અને SiO2 (વાદળી) ના x મૂલ્ય સાથે નેનો-SCE નો IR સ્પેક્ટ્રા, દર્શાવે છે કે O═S═O જૂથ (1231 cm−1) આમાં સામેલ છે. સિલિકા સપાટી પર OH-જૂથો સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા.(બી) 2 (કાળો), 1.5 (લાલ), અને 0.5 (વાદળી) ના x મૂલ્યો સાથે નેનો-એસસીઇનો રમન સ્પેક્ટ્રા, સંતૃપ્તિ (0.0005) નજીક નેનો-એસસીઇ માટે પણ સિલેનોલ-ટર્મિનેટેડ સિલિકા પર બરફના પાણીની હાજરી દર્શાવે છે. % RH) એક ગ્લોવ બોક્સમાં (30 દિવસ).(C) નેનો-SCE માં ઇન્ટરફેસ ક્રિયાપ્રતિક્રિયા માટે સૂચિત મોડેલ Li-TFSI ને મુક્ત Li+ માં વિયોજન સાથે TFSI− anion તેના નકારાત્મક ચાર્જનો ભાગ શોષિત બરફ-TFSI-BMP સ્તર સાથે વહેંચે છે;રંગો જાંબલી (સિલિકોન), લાલ (લિથિયમ), ઘેરો પીળો (સલ્ફર), નારંગી (ઓક્સિજન), વાદળી (નાઇટ્રોજન), સફેદ (હાઇડ્રોજન), અને લીલો (ફ્લોરિન) સાથે વિવિધ તત્વોનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે.જાંબલી ડેશવાળી રેખાઓ TFSI આયનોના O═S જૂથ અને હાઈડ્રોક્સિલેટેડ સિલિકા સપાટીના OH-જૂથો વચ્ચેના હાઈડ્રોજન બોન્ડનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે.શોષિત સ્તર પર દ્વિધ્રુવ દ્વારા મુક્ત કરાયેલ Li+ આયનો અનુગામી મોબાઇલ દ્વારા સ્થાનાંતરિત થઈ શકે છે અથવા ઇન્ટરફેસ સ્તરોની ઉપર આયનીય પ્રવાહી સ્તરો ફેલાવી શકે છે.નોંધ કરો કે હાઇડ્રોજન બોન્ડની મજબૂતાઈ અને સિલિકા પરના સમકક્ષ ચાર્જના આધારે, બહુવિધ શોષિત સ્તર પણ રચી શકાય છે.સંપૂર્ણ સ્પેક્ટ્રા ફિગમાં બતાવવામાં આવે છે.S8.

એક રસપ્રદ અવલોકન એ ફિગ. 3C માં બતાવ્યા પ્રમાણે સૂકવવાના સમયના વર્ગમૂળ સાથેનો રેખીય સંબંધ છે, જે દર્શાવે છે કે વાહકતામાં ફેરફાર એ સિલિકા પર શોષાયેલા બરફના પાણીના જથ્થામાં થતા ફેરફારોના સીધા પ્રમાણસર છે અને આ સપાટીના પાણીને દૂર કરવામાં આવે છે. પ્રસરણ મર્યાદિત.નોંધ કરો કે "સૂકવણી" ફક્ત ખુલ્લા વાતાવરણમાં જ થાય છે જ્યાં આરએચ સંતુલન બરફના સ્તર કરતા ઓછું હોય છે.વાહકતા નોંધપાત્ર બદલાઈ નથી, ઉદાહરણ તરીકે, તાપમાન-આધારિત માપન માટે ઉપયોગમાં લેવાતા બંધ સિક્કાના કોષોમાં.

ગ્લોવ બૉક્સમાં સૂકવવાના જુદા જુદા સમય માટે નેનો-એસસીઇનું તાપમાન નિર્ભરતા માપવામાં આવ્યું હતું.સૂકા નેનો-SCE ની વાહકતા ILE ની નજીક આવી, મેસોફેસ વાહકતા માટે સતત σi વિરુદ્ધ 1/T પ્રોફાઇલ ધીમે ધીમે ILE માટે પ્રોફાઇલમાં બદલાઈ ગઈ, ફરીથી તેના ગલનબિંદુ (અંજીર S3) ની આસપાસના ઘટાડાને જાહેર કરે છે.આ અવલોકન એ ધારણાને વધુ સમર્થન આપે છે કે બરફનું સ્તર ILE સાથે ઇન્ટરફેસ ક્રિયાપ્રતિક્રિયા માટે કાર્યાત્મક સ્તર તરીકે કાર્ય કરે છે, નેનો-SCE માં મેસોફેસ વર્તનને જન્મ આપે છે.આથી, જ્યારે કાર્યાત્મક સ્તર દૂર કરવામાં આવે છે, ત્યારે ILE માત્ર મેસોપોરસ ઓક્સાઇડ મેમ્બ્રેનમાં જ સીમિત થઈ જાય છે.

ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ સ્ટેબિલિટી વિન્ડોનાં માપન પુષ્ટિ કરે છે કે નેનો-એસસીઇમાં બરફનું પાણી સ્થિર છે, કારણ કે નિષ્ક્રિય ટીઆઇએન ઇલેક્ટ્રોડ (ફિગ. 2) અથવા ટીઓ 2 પાતળા-ફિલ્મ ઇલેક્ટ્રોડ પર પાણી ઘટાડવા અથવા ઓક્સિડાઇઝેશન માટે કોઈ શિખરો જોવા મળ્યા નથી, જે અન્યથા કાર્ય કરે છે. પાણી ઘટાડવા માટે ઇલેક્ટ્રો-ઉત્પ્રેરક તરીકે.તેના બદલે, નેનો-એસસીઇની ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ સ્થિરતા ILE જેવી જ છે અને આમ ઇલેક્ટ્રોડ પોટેન્શિયલ > 4.3 V પર TFSI− ના ઓક્સિડેશન દ્વારા અને TFSI− અને BMP+ ના ઘટાડાથી <1 V વિરુદ્ધ Li+/Li. (33).સરખામણી માટે, 5 વજન % (wt %) પાણી ઉમેરવામાં આવેલ ILE માટે વોલ્ટમમોગ્રામ બતાવવામાં આવે છે (કેટલાક નેનો-SCE માટે સમાન સામગ્રી; કોષ્ટક S1 જુઓ).આ કિસ્સામાં, લિ+/લિ વિરુદ્ધ 1.5 V પર એનાટેઝના લિ-ઇન્ટરકેલેશન પીક પછી તરત જ પાણી ઘટાડવા માટેની કેથોડિક શાખા માપવામાં આવે છે.

નેનો-એસસીઇની થર્મલ અને (ઇલેક્ટ્રો) રાસાયણિક સ્થિરતા મોટે ભાગે ILE ફિલર દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે.થર્મોગ્રાવિમેટ્રિક વિશ્લેષણ (TGA) એ SCE અને ILE ની થર્મલ સ્થિરતા 320°C સુધી દર્શાવી, ILE-થી-સિલિકા ગુણોત્તર (અંજીર S4) ને ધ્યાનમાં લીધા વગર.આ તાપમાનની ઉપર, Li-TFSI અને BMP-TFSI સંપૂર્ણપણે અસ્થિર ઘટકોમાં વિઘટિત થાય છે, અને માત્ર સિલિકા મેટ્રિક્સ 450 °C આસપાસ રહે છે.થર્મલ વિઘટન પછી બાકી રહેલ માસ ટકાવારી ખરેખર SCE માં સિલિકાના અપૂર્ણાંક સાથે ખૂબ સારી રીતે મેળ ખાતી હતી.

નેનો-એસસીઈએ સ્કેનિંગ ઈલેક્ટ્રોન માઈક્રોસ્કોપી (SEM)માં કેટલાક સિલિકા પેચ બહાર ડોકિયું કરતી સરળ સપાટી સિવાય કોઈ સ્પષ્ટ માઇક્રોસ્ટ્રક્ચર દર્શાવ્યું નથી (ફિગ. S5).SCE ની ચોક્કસ ઘનતા હિલીયમ પાઇકનોમીટર વડે નક્કી કરવામાં આવી હતી અને તમામ x મૂલ્યો (કોષ્ટક S1) માટે લગભગ 1.5 g/cm3 હતી.સંપૂર્ણ સિલિકા મેટ્રિક્સ દ્રાવકમાં ILE ના કંટાળાજનક નિષ્કર્ષણ દ્વારા જાહેર કરવામાં આવ્યું હતું (સામગ્રી અને પદ્ધતિઓ જુઓ).CO2 ના નિર્ણાયક બિંદુ પર કાળજીપૂર્વક સૂકવવાથી, અખંડ એરજેલ મોનોલિથ્સ ફિગ. 1A માં બતાવ્યા પ્રમાણે મેળવી શકાય છે.SEM નિરીક્ષણ 10- થી 30-nm છિદ્ર વ્યાસ સાથે મેસોપોરસ સિલિકાનો સ્કેફોલ્ડ દર્શાવે છે, જે 100 થી 150 nm ના મોટા મેક્રોપોર્સની આસપાસ આવરિત છે, જેમ કે આકૃતિ 1 (B અને C) માં જોઈ શકાય છે.હાઇ-રિઝોલ્યુશન ટ્રાન્સમિશન ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપી (TEM) (ફિગ. 1D) એ નજીકથી ભરેલા સિલિકા નેનોપાર્ટિકલ્સથી બનેલા માઇક્રોસ્ટ્રક્ચરને વધુ ખુલ્લું પાડ્યું.0.5 અને 1.5 વચ્ચેના x મૂલ્યો માટે સરેરાશ કણોનો વ્યાસ 7 થી 14 nm સુધીનો છે.

ચોક્કસ સપાટી વિસ્તાર [બ્રુનૌર-એમ્મેટ-ટેલર (BET)], છિદ્રાળુતા, સરેરાશ છિદ્રનું કદ અને છિદ્ર કદનું વિતરણ N2 શોષણ/ડિસોર્પ્શન માપન (કોષ્ટક S1 અને ફિગ. S6) સાથે નક્કી કરવામાં આવ્યું હતું.સંરચનાનું આંશિક પતન અને શોષિત ILE ના અપૂર્ણ નિરાકરણ, સંખ્યાઓને કંઈક અંશે ખોટી રીતે રજૂ કરી શકે છે.પૂરા પાડવામાં આવેલ સુપરક્રિટિકલ CO2 નો ઉપયોગ કરીને આયનીય પ્રવાહીનું કાળજીપૂર્વક નિષ્કર્ષણ અને ધીમી સૂકવણી, જો કે, ILE ના વોલ્યુમ અપૂર્ણાંકથી સિલિકા (ફિગ. 1) સુધીની ગણતરી કરાયેલ અપેક્ષિત છિદ્રાળુતાની નજીકના વિશ્વસનીય પરિણામો.BET સપાટી વિસ્તાર 800 અને 1000 m2/g વચ્ચેનો છે.ઇસોથર્મના ઢોળાવમાંથી મેળવેલ સરેરાશ છિદ્રનું કદ 7 અને 16 nm વચ્ચેનું છે.વધુમાં, SEM અવલોકનો અનુસાર, લગભગ 200 nm સુધીના મોટા છિદ્રોના નાના અપૂર્ણાંક (અંજીર S6) માપવામાં આવ્યા હતા.છિદ્રનો વ્યાસ ILE વોલ્યુમ અપૂર્ણાંક અને BET સપાટી વિસ્તારથી મેળવેલ ILE સ્તરની બમણી સમકક્ષ જાડાઈ સાથે ખૂબ જ સારી રીતે અનુરૂપ છે, એટલે કે મેસોપોર્સ સંપૂર્ણપણે ILE થી ભરેલા છે.

નોંધાયેલ BET સપાટી વિસ્તાર માત્ર મેસોપોર્સ અને મેક્રોપોર્સ માટે છે.એસેટોન-રિન્સ્ડ મેટ્રિક્સ માટે, માઇક્રોપોર્સ (~0.6 nm) પણ માપવામાં આવ્યા હતા.માઈક્રોપોર્સ વ્યક્તિગત સિલિકા નેનોપાર્ટિકલ્સ વચ્ચે જોવા મળે છે જે અંજીર 1D ની TEM ઈમેજમાં બતાવ્યા પ્રમાણે રચના બનાવે છે.650 (x = 0.5) અને 360 m2/g (x = 1.5) વચ્ચેનો મહત્તમ વધારાનો સપાટી વિસ્તાર અંદાજિત છે (કોષ્ટક S1).

FTIR અને રમન સ્પેક્ટ્રા બંને માઇક્રોપોર્સ, મેસોપોર્સ અને મેક્રોપોર્સને ધ્યાનમાં લેતી વખતે 1400 m2/g કરતાં વધુ અસરકારક સપાટી વિસ્તારો સાથે ઉચ્ચ છિદ્રાળુતા સિલિકા મેટ્રિક્સ પર શોષિત બરફના પાણીના અણુઓ સાથે સિલનોલ જૂથો માટે સ્પષ્ટ પુરાવા દર્શાવે છે.x <1.75 માટે નેનો-એસસીઇમાં વધારાના પાણીમાંથી શૂન્ય અને ત્રણ વોટર મોનોલેયરનો અંદાજ છે.પ્લેનર સિલિકા માટે, શોષિત પાણીના પ્રથમ ત્રણ મોનોલેયર્સ ખરેખર સ્થિર અને ઘન જેવા માનવામાં આવે છે કારણ કે OH- સમાપ્ત થયેલ સપાટી (32) સાથે તેમના મજબૂત હાઇડ્રોજન બંધનને કારણે (અંજીર S2 જુઓ).બરફના પાણીના સ્તર સાથે બંધાયેલ સિલાનોલ હાઇડ્રોજન સાથે સંકળાયેલ O─H સ્ટ્રેચ FTIR સ્પેક્ટ્રામાં 3540 cm−1 પર જોવા મળે છે.શૂન્યાવકાશ સૂકવણી પછી અને ગ્લોવ બૉક્સમાં વધુ સૂકાયા પછી બરફના પાણી માટે, ખરેખર, બધા નેનો-એસસીઈ 3540 cm−1 પર એક અલગ શિખર દર્શાવે છે (ફિગ. 2).0.0005% આરએચ (ગ્લોવ બોક્સ) પર સંતુલિત નેનો-એસસીઇ માટે પણ, રામન સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી હજુ પણ ઓછામાં ઓછા આંશિક મોનોલેયર (ફિગ. 4B) ની હાજરી દર્શાવે છે.પ્લેનર સિલિકા પરનું ચોથું મોનોલેયર એક ટ્રાન્ઝિશનલ લેયર હોવાનું માનવામાં આવે છે, એટલે કે તે હજુ પણ શોષાય છે અને પ્રતિબંધિત છે પરંતુ તેમાં થોડી ગતિશીલતા હોઈ શકે છે.પાંચમા સ્તરથી, પાણી ગતિશીલ અને પ્રવાહી જેવું બને છે.પ્રવાહી પાણીમાં એચ-બોન્ડિંગની નીચી ડિગ્રીને કારણે એફટીઆઈઆર સ્પેક્ટ્રમમાં પ્રવાહી જેવું પાણી ઉચ્ચ તરંગ નંબરો પર દેખાશે.60% આરએચના સંપર્કમાં આવેલા નેનો-એસસીઈ માટે, 3540-સેમી−1 શિખર ખરેખર વધારાના શોષિત પ્રવાહી પાણીના સ્તરને કારણે વધારાના સ્પંદનોને ઉચ્ચ તરંગ નંબરો પર સ્થાનાંતરિત કરે છે.આ સંદર્ભમાં રસપ્રદ પ્રયોગ એ છે કે જ્યાં નમૂના 30% RH ના સંપર્કમાં આવ્યો હતો, કારણ કે આ ભેજ (અંજીર S2) પર સિલિકા પર હજુ સુધી કોઈ પ્રવાહી પાણીની અપેક્ષા નથી.આ નમૂના માટે, FTIR માં બરફના પાણી માટે માત્ર 3540 cm−1 શિખર જોવા મળે છે.વધુમાં, 30% RH પર 4 દિવસ પછી પણ 1635 cm−1 પર કોઈ મુક્ત પાણીની ટોચ મળી નથી.આનો અર્થ એ થયો કે એકવાર નેનો-એસસીઈ વેક્યૂમ ટ્રીટમેન્ટ દ્વારા સુકાઈ જાય પછી હાઈડ્રોફોબિક BMP-TFSI માં ઓગળેલા હાઈગ્રોસ્કોપિક Li-TFSI દ્વારા પાણી લેવામાં આવતું નથી.તેથી, SCE માં કોઈપણ વધારાનું પાણી ઓએચ-ટર્મિનેટેડ સિલિકા સપાટી પર શોષાઈ જશે.આથી, પ્લેનર સિલિકા માટે, SCE સિલિકા મેટ્રિક્સ પર્યાવરણમાં પાણીના આંશિક દબાણ સાથે સંતુલનમાં છે.

આ પૂર્વધારણાને વધુ ચકાસવા માટે, નેનો-એસસીઇ (x = 1, 1.5, અને 2) ની આયન વાહકતા વિવિધ % RH પર માપવામાં આવી હતી;નમુનાઓને 2 દિવસ માટે ગ્લોવ બોક્સમાં સૂકા અને ભેજવાળા N2 ગેસના નિયંત્રિત મિશ્રણના સંપર્કમાં લાવવામાં આવ્યા હતા જેથી શોષિત પાણીના કવરેજને સમતુલા સુધી પહોંચી શકાય (ફિગ. 3D).~0% RH પરના પોઈન્ટ માટે, ગ્લોવ બોક્સમાં સમતુલિત નેનો-SCE માટેની વાહકતા લેવામાં આવી હતી.આશ્ચર્યજનક રીતે, આયન વાહકતા વિરુદ્ધ RH(%) પ્રોફાઇલ એ પ્લાનર સિલિકા (અંજીર S2) પર પાણીના શોષણ માટે અપેક્ષિત વર્તનને અનુસર્યું હતું.0 અને 30% RH ની વચ્ચે, વધતા RH સાથે વાહકતા વધી છે.શોષિત બરફના પડની ઘનતા અને જાડાઈમાં વધારાની અપેક્ષા મુજબ (પ્લેનર સિલિકા પર એકથી ત્રણ બરફના સ્તરોને અનુરૂપ).નોંધ કરો કે FTIR એ દર્શાવ્યું હતું કે નેનો-SCE માં 30% RH પર ઘણા દિવસો સુધી કોઈ મફત પાણી હાજર નહોતું.સંક્રમણ 50% RH ની આસપાસ જોવા મળે છે, જે પરિસ્થિતિઓને અનુરૂપ છે જ્યાં પ્લેનર સિલિકા માટે સંક્રમિત શોષિત પાણીનું સ્તર અપેક્ષિત છે.આખરે, 60% અને ઉચ્ચ ભેજ તરફ આયન વાહકતામાં એક વિશિષ્ટ પગલું વધારો જોવા મળે છે જ્યાં, પ્લેનર સિલિકા સાથે સામ્યતામાં, હવે, સિલિકા અને એમ્બેડેડ ILE વચ્ચેના ઇન્ટરફેસ પર પણ પ્રવાહી જેવું પાણીનું સ્તર રચાય છે.FTIR સાથે, બરફના સ્તર પર પ્રવાહી પાણીનું સ્તર હવે સિલેનોલ/બરફ/પાણીના કંપનશીલ શિખરને ઉચ્ચ ઊર્જા (ફિગ. 2A) તરફ સ્થાનાંતરિત કરીને શોધી કાઢવામાં આવે છે.વાહકતામાં અવલોકન કરેલ ફેરફાર ઉલટાવી શકાય તેવું છે;આમ, નેનો-એસસીઇ ભેજ સેન્સર અને લિ-આયન ઇલેક્ટ્રોલાઇટ તરીકે કાર્ય કરી શકે છે.ફિગ. 3Dમાંથી, વેક્યૂમ એનિલ પછી તરત જ નેનો-એસસીઇની આયન વાહકતા ~10% RH ના સંતુલન હાઇડ્રેટેડ સિલિકા સાથે અનુરૂપ છે.શુષ્ક ઓરડાની સ્થિતિમાં સંતૃપ્તિ માટે આયન વાહકતા (~0.5% RH) લગભગ 0.6 mS/cm (x = 2 માટે) હશે.આ પ્રયોગ આયન વાહકતા પર ઇન્ટરફેસિયલ પાણીની અસરને સ્પષ્ટપણે દર્શાવે છે.RH > 60% માટે, ઉચ્ચ આયન વાહકતા પ્રવાહી જેવા સ્તર દ્વારા સોલ્વેટેડ Li+ ના ઝડપી પ્રસાર દ્વારા સમજાવી શકાય છે.જો કે, નક્કર બરફના સ્તરના કિસ્સામાં, Li+ આયન પ્રસરણ ઘન-સ્થિતિ પ્રકારનું પ્રસરણ હશે અને આમ આયનીય પ્રવાહીની સરખામણીએ ધીમી હશે.તેના બદલે, નીચેના મોડેલમાં સૂચવ્યા મુજબ, ઉન્નતીકરણ કાર્બનિક આયનોના ઉન્નત શોષણને આભારી છે અને લિ-સોલ્ટ અને આયનીય પ્રવાહી પરમાણુઓના કેશનને આભારી છે.

અમે એક મોડેલની દરખાસ્ત કરીએ છીએ જ્યાં આયનીય પ્રવાહી પરમાણુઓ સિલિકા સપાટી પર H-બ્રિજ દ્વારા સિલનોલ જૂથો (ફિગ. 4) પર સ્થિર બરફના સ્તર સાથે શોષાય છે.હાઇડ્રોલિસિસ કન્ડેન્સેશન પ્રતિક્રિયાની આંતરિક પ્રકૃતિ સૌથી વધુ સિલાનોલ ઘનતા પૂરી પાડે છે (4 × 1014 થી 8 × 1014 cm−2, જે બરફના એક મોનોલેયરની ઘનતા સાથે ~8 × 1014 પાણીના અણુઓ પ્રતિ સે.મી.2 સાથે સારી રીતે મેળ ખાય છે) (34).TFSI આયનોના O અણુઓ અને સિલિકા વચ્ચેના પરમાણુ ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓ માટેના પુરાવા FTIR દ્વારા આપવામાં આવે છે, જે ILE સંદર્ભ (ફિગ. 4A; સંપૂર્ણ સ્પેક્ટ્રા) ની તુલનામાં તમામ નેનો-SCE માટે O═S═O શિખરનું બમણું દર્શાવે છે. ફિગમાં. S8).1231 cm−1 થી લગભગ −5 cm−1 સાથે વધારાના શિખરનું સ્થળાંતર TFSI આયનોના ઓછામાં ઓછા ભાગ માટે O═S═O જૂથોનું બંધન સૂચવે છે.તેથી, બરફના પાણીના સ્તર પર TFSI આયનોનું H-બંધન ધારવામાં આવે છે.ત્યારબાદ, મોટા હાઇડ્રોફોબિક BMP કેશન્સ પ્રથમ TFSI સ્તર સાથે સાંકળે છે, આયનીય પ્રવાહી અણુઓના પ્રથમ શોષિત સ્તરને પૂર્ણ કરે છે.બરફના સ્તરની વાત કરીએ તો, શોષાયેલા BMP-TFSI પરમાણુઓ મોટે ભાગે સ્થિર હોવાનું માનવામાં આવે છે, આમ સિલિકા સપાટી પરના ઘન જેવા બરફના સ્તરને વિસ્તારે છે.TFSI આયનોમાં સપ્રમાણ O═S═O જૂથ હોવાથી, એક ઓક્સિજન અણુ હાઈડ્રોક્સિલેટેડ સિલિકા સપાટી સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરી શકે છે જ્યારે અન્ય BMP કેશન્સ માટે ચોંટતા બિંદુઓ બનાવે છે.TFSI આયનોમાં બે O═S═O જૂથો પણ છે, જે આયન મોનોલેયરના મજબૂત શોષણ અને ગાઢ ક્રમની ખાતરી આપે છે.સંભવિત ચોંટતા બિંદુઓ તરીકે OH-જૂથોની સૌથી વધુ ઘનતા સાથે ગાઢ બરફના સ્તરના કિસ્સામાં શોષણ સૌથી વધુ કાર્યક્ષમ છે.માત્ર સિલાનોલ જૂથોની હાજરીમાં, શોષણ સતત શોષણ સ્તર બનાવવા માટે પૂરતું મજબૂત ન હોઈ શકે.વધુમાં, બરફના મોનોલેયર્સની વધતી જતી સંખ્યા હાઇડ્રોજન બોન્ડની મજબૂતાઈ વધારવા માટે જાણીતી છે (35).નોંધ કરો કે BMP કેશન અને ઓર્ડર કરેલ TFSI મોનોલેયર વચ્ચેની પરમાણુ ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓ આયનીય પ્રવાહીમાં કરતાં અલગ હશે જ્યાં TFSI આયનને રોટેશનલ સ્વતંત્રતા હોય છે અને અંતર્ગત સપાટી પરથી ધ્રુવીકરણ થતું નથી.મોટા BMP કેશનનો ચાર્જ ખરેખર ઘણા અણુઓ પર આંતરિક બોન્ડના ધ્રુવીકરણ દ્વારા અને તેના રાસાયણિક વાતાવરણ સાથેના પરમાણુ ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓ દ્વારા વિતરિત થાય છે અને ખાસ કરીને, શોષિત TFSI આયન.TFSI આયનોના O-જૂથ અને બરફના સ્તરના OH-સમાપ્તિ વચ્ચેનું એચ-બંધન હવે પ્રથમ શોષિત સ્તર પર દ્વિધ્રુવ રજૂ કરે છે, જે એસોસિએશન દ્વારા વધુ મોલેક્યુલર ક્રમમાં પ્રેરિત કરે છે.એવું માનવામાં આવે છે કે આ બિંદુએ, નાના Li-TFSI પરમાણુઓ પરમાણુ સ્તર પર શોષી લે છે જેના દ્વારા TFSI આયન હવે ઉપલા સ્તરમાં એક અથવા વધુ BMP કેશનના શેષ હકારાત્મક દ્વિધ્રુવી ચાર્જની ભરપાઈ કરે છે, તેથી તેના લિ સાથેના જોડાણને ઢીલું કરે છે. આયનઆ રીતે, આ ઇન્ટરફેસ પર ફ્રી Li+ ની સાંદ્રતા વધે છે, જે ઉચ્ચ આયન વાહકતા તરફ દોરી જાય છે.આથી, ગીચ અને જાડા બરફના સ્તરો ભરપાઈ કરવા માટે ઉચ્ચ શેષ ચાર્જ સાથે મોટા દ્વિધ્રુવનો પરિચય કરાવે છે, જે પ્રમાણસર ઊંચી મુક્ત Li+ સાંદ્રતા અને આમ આયન વાહકતા આપે છે.

શોષિત ILE સ્તરની ટોચ પર, ક્યાં તો અન્ય ILE સ્તર સિલિકા પરના બરફના મલ્ટિલેયર્સની જેમ શોષી શકે છે અથવા બરફના સ્તરનું દ્વિધ્રુવીય ખેંચાણ ખૂબ જ નબળું છે અને ટોચ પર થોડું બંધાયેલ ILE છે, જે પછી પ્રવાહી જેવું વહન પ્રદાન કરી શકે છે. Li+ આયનો નીચલા શોષિત સ્તરમાં પ્રકાશિત થાય છે (ફિગ. 4C).મફત Li+ આયન સાંદ્રતામાં ફેરફારને NMR અને રામન સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી માપન બંને દ્વારા સમર્થન આપવામાં આવ્યું હતું.રમન માપન આડકતરી રીતે દર્શાવે છે કે મુક્ત Li+ આયનોનો મોટો અંશ ખરેખર નેનો-SCE માં હાજર છે જેમાં સિલિકા (ફિગ. 5) સાથે વધુ બરફના પાણીના સ્તરો બંધાયેલા છે.રામન TFSI આયન (36) ના N-જૂથના કંપનની તપાસ કરીને TFSI સાથે કેશનના જોડાણને માપે છે.શુદ્ધ BMP-TFSI આયનીય પ્રવાહીમાં, 741 cm−1 પર માત્ર એક જ શિખર જોવા મળે છે.શુદ્ધ ILE ના કિસ્સામાં, વધારાની ટોચ 746 cm−1 પર જોવા મળે છે જ્યાં બે TFSI આયન એક જ Li+ આયન સાથે સંકલન કરે છે [સામગ્રી અને પદ્ધતિઓમાં ઘનતા કાર્યાત્મક સિદ્ધાંત (DFT) ગણતરીઓ જુઓ].તમામ નેનો-એસસીઇ માટે, 746 સેમી-1 પરની ટોચની તીવ્રતા ILE કરતા નબળી છે, જે સંકળાયેલ Li-TFSI ના નાના અપૂર્ણાંકને દર્શાવે છે અને પરિણામે, બિનસંબંધિત અથવા મુક્ત Li+ કેશનનો મોટો અપૂર્ણાંક દર્શાવે છે.સૌથી વધુ વાહકતા વૃદ્ધિ દર્શાવે છે તે નેનો-એસસીઇ માટે શિખર તીવ્રપણે ઘટે છે, એટલે કે, જેઓ સૌથી વધુ જાડા બરફનું સ્તર ધરાવે છે.ગ્લોવ બોક્સમાં સંતુલન પર નેનો-એસસીઇ માટે, હજુ પણ, મુક્ત Li+ ના અપૂર્ણાંકને માપવામાં આવે છે જો કે વેક્યૂમ-એનિલ્ડ નમૂનાઓ કરતાં ઘણો નાનો છે.746 થી વધુ 741 cm−1 રામન શિફ્ટ માટે ટોચની તીવ્રતાનો ગુણોત્તર એ TFSI-સંબંધિત લિ-આયનો (ફિગ. 5B) માટે ફ્રીના ગુણોત્તરનું માપ છે.x મૂલ્ય સાથે મુક્ત Li+ આયન અપૂર્ણાંકમાં રેખીય વધારો આકૃતિ 3B માં x મૂલ્ય સાથે વાહકતા વધારવાના વલણને સારી રીતે અનુસરે છે, બંને વેક્યૂમ ડ્રાય નેનો-SCE (દિવસ 0) અને SCE માટે ગ્લોવ બોક્સ શુષ્કતા (દિવસ) સાથે સંતુલન પર 138).

(A) 0.5 (લીલો), 1.5 (પીળો) ના x મૂલ્યો સાથે આયનીય પ્રવાહી (IL; ડોટેડ બ્લુ લાઇન) અને ILE સંદર્ભ (ILE; ડૅશ-ડોટેડ લાઇન) નો રમન સ્પેક્ટ્રા નેનો-એસસીઇ (વેક્યુમ ડ્રાય) , અને 2 (બ્રાઉન) અને નેનો-SCE (x = 1.5) વધુમાં ગ્લોવ બોક્સમાં 30 દિવસ સુધી અથવા 0.0005% RH (લાલ) પર સંતૃપ્તિની નજીક સૂકવવામાં આવે છે.ઊભી રેખાઓ TFSI માટે રમન શિફ્ટનું લેબલ કરે છે અને તેના N કેન્દ્રને અનુક્રમે Li+ (746 cm−1) સાથે સંકલિત કરે છે અને Li+ (741 cm−1) સાથે સંકલિત નથી.(બી) નેનો-એસસીઇના સંકલિત Li+ નું સંકલિત (વેક્યુમ ડ્રાય, બ્લેક સર્કલ) અને વધુમાં 30 દિવસ માટે 0.0005% આરએચ સાથે ગ્લોવ બોક્સમાં સૂકવવામાં આવે છે (વાદળી હીરા) ની સંકલિત તીવ્રતાના ગુણોત્તરને અનુરૂપ રમન શિખરો (746 cm−1 ઉપર 741 cm−1).(C) PFG-NMR–નેનો-SCE (લાલ હીરા) અને ILE સંદર્ભનો Li+ સેલ્ફ ડિફ્યુઝન ગુણાંક વ્યુત્પન્ન.(કાળો ચોરસ) ઢાળના ચુંબકીય ક્ષેત્રના કઠોળ વચ્ચેના અંતરાલના કાર્ય તરીકે.રામન સ્પેક્ટ્રા પરના સૈદ્ધાંતિક શિખરોનું અનુકરણ DFT ગણતરીનો ઉપયોગ કરીને કરવામાં આવ્યું હતું.

સ્પંદનીય-ફીલ્ડ ગ્રેડિયન્ટ NMR (PFG-NMR) માંથી, વિવિધ મોબાઇલ લિ-આયન પ્રજાતિઓના સ્વ-પ્રસરણ ગુણાંકને ILE પ્રવાહી સંદર્ભ માટે અને નેનો- માટે ઢાળ ચુંબકીય ક્ષેત્ર પલ્સ ∆ વચ્ચેના અંતરાલના કાર્ય તરીકે નક્કી કરવામાં આવ્યું હતું. 0.6 mS/cm (ફિગ. 5C) ની સમાન આયન વાહકતા સાથે SCE (x = 1.5).ILE સંદર્ભમાં Li+ સ્વ-પ્રસરણ ગુણાંક સ્થિર હતો, જે દર્શાવે છે કે પ્રવાહીમાં ખૂબ સમાન ગતિશીલતા ધરાવતી માત્ર એક અથવા બહુવિધ Li પ્રજાતિઓ હાજર છે.નેનો-એસસીઇ માટે, સ્વ-પ્રસરણ ગુણાંક ∆ સાથે બદલાય છે અને ટૂંકા ∆ પર ILE કરતા વધી ગયો છે, જે ચુંબકીય ક્ષેત્રના કઠોળ વચ્ચેના ટૂંકા અંતરાલમાં જ પ્રતિક્રિયા આપે છે તે ઝડપી ગતિશીલ પ્રજાતિઓની હાજરી સૂચવે છે.સ્વ-પ્રસરણ ગુણાંકમાંનો ઢાળ સૂચવે છે કે મુક્ત લિ-આયન સાંદ્રતામાં વધારાની બાજુમાં, રમન સ્પેક્ટ્રોસ્કોપીમાંથી અનુમાનિત થયા મુજબ, મેસોફેસ ઇન્ટરફેસ સ્તરમાં પણ પ્રસરણ માટેની સક્રિયકરણ ઊર્જા ઓછી થાય છે.આ મેસોફેસ સ્તરમાં (વધુ) મુક્ત Li+ આયન દ્વારા રજૂ કરાયેલ વાહકતા વૃદ્ધિને સમર્થન આપે છે.લાંબા સમય સુધી ∆, સ્વ-પ્રસરણ ગુણાંક ILE સંદર્ભ કરતા ઓછો હતો.આ ILE ની તુલનામાં ગ્લોવ બોક્સ-સંતૃપ્ત નેનો-SCE માટે ઘણી ઓછી આયન વાહકતાને સમર્થન આપે છે.મોલેક્યુલર હિલચાલના પ્રતિબંધને કારણે મેસોપોર્સના કોરમાં સીમિત ILE વધારે સ્નિગ્ધતા ધરાવશે.આથી, સિલિકા/આઈસ/આઈએલઈ ઈન્ટરફેસ પર ખૂબ જ ઝડપથી વિસર્જિત લિ-આયનોના નિર્માણ દ્વારા ઉન્નતીકરણને છિદ્રના મુખ્ય ભાગમાં વાહકતામાં થયેલા ઘટાડાને સરભર કરવી પડશે.આ કણ-આધારિત પ્રણાલીઓમાં ઉન્નતીકરણની ગેરહાજરી સમજાવે છે જ્યાં ઇન્ટરફેસ પૂરતા પ્રમાણમાં આયન વહન પ્રોત્સાહન પૂરું પાડતા નથી (ફિગ. S1).

લિથિયમ મેટલ સામે નેનો-એસસીઇની ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ સ્થિરતા ત્રણ-ઇલેક્ટ્રોડ સેટઅપનો ઉપયોગ કરીને ચકાસવામાં આવી હતી (સેટઅપનું યોજનાકીય ફિગ. S7 માં બતાવેલ છે).Li/SCE (x = 1.5) અને Li/ILE અર્ધ-કોષની વર્તમાન-સંભવિત લાક્ષણિકતા ફિગ. 6A માં બતાવવામાં આવી છે.ફિગ. 2 માં ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ વિન્ડોની વાત કરીએ તો, ઇલેક્ટ્રોકેમિસ્ટ્રી ILE ફિલર દ્વારા મર્યાદિત છે.ઉલટાવી શકાય તેવું લિથિયમ પ્લેટિંગ અને સ્ટ્રીપિંગ જોવા મળે છે.લગભગ 0.9 kilo-ohm·cm2 ના RSEI સાથે મેટાલિક લિથિયમ પર સ્થિર ઘન ઇલેક્ટ્રોલાઇટ ઇન્ટરફેસ (SEI) સ્તર રચાય છે, જે કેથોડિક અને એનોડિક બંને બાજુઓ પર iU વળાંકમાં મોટા IR ડ્રોપ માટે જવાબદાર છે.શુદ્ધ ILE સોલ્યુશન્સમાં કેથોડિક પ્રવાહ −2.5 mA/cm2 સુધી કોઈ હિસ્ટેરેસિસ દર્શાવતો નથી.જો કે, એનોડિક વિસર્જન માત્ર 0.06 mA/cm2 ના સ્થિર-સ્થિતિના એનોડિક પ્રવાહ સાથે પેસિવેશન પીક દર્શાવે છે.સોલિડ-સોલિડ Li/SCE ઈન્ટરફેસ પર કેથોડિક વર્તમાન શાખાએ −0.5 mA/cm2 કરતા ઓછા કેથોડિક પ્રવાહો માટે કોઈ હિસ્ટરિસિસ દર્શાવ્યું નથી.SEI નો પ્રતિકાર જોકે લગભગ બમણો હતો.એ જ રીતે, એનોડિક પીક નીચું હતું અને એનોડિક પેસિવેશન પીક પછી સ્થિર-સ્થિતિ પ્રવાહ 0.03 mA/cm2 હતો, જે શુદ્ધ ILE સોલ્યુશન કરતાં માત્ર અડધો હતો.SCE ના છિદ્રોમાં SEI અને પેસિવેશન સ્તરોની રચના લિથિયમ મેટલ પર વર્તમાનને મર્યાદિત કરે છે.Li/ILE અને Li/SCE ઇલેક્ટ્રોડ્સ માટેના બંને વોલ્ટામોગ્રામ બહુવિધ ચક્ર પર પુનઃઉત્પાદન કરી શકાય તેવા હતા, જે દર્શાવે છે કે એનોડિક પેસિવેશન લેયર અને રાસાયણિક SEI સ્તર ઉલટાવી શકાય તેવું અને સ્થિર છે.Li/SCE ઈન્ટરફેસ પર ધીમી વિસર્જન ગતિશાસ્ત્ર નીચે લી મેટલ એનોડ સાથે બનેલા અડધા કોષોના પ્રભાવને ગંભીરપણે મર્યાદિત કરે છે.

(A) નેનો-SCE (x = 1.5, શૂન્યાવકાશ સૂકવણી પછી સંશ્લેષિત તરીકે) (લાલ) અને ILE સંદર્ભ (કાળો) નું ચક્રીય વોલ્ટામોગ્રામ લિ સાથે કામ, કાઉન્ટર અને સંદર્ભ ઇલેક્ટ્રોડ તરીકે ત્રણ-ઇલેક્ટ્રોડ રૂપરેખાંકનમાં માપવામાં આવે છે (SEI પ્રતિકાર અંદાજિત કેથોડિક પ્રવાહ પર IR ડ્રોપ ILE અને SCE માટે અનુક્રમે 0.9 અને 1.8 kilo-ohm·cm2 છે).(B) 1C, 5C અને 20C ના C-દર પર પાંચ ચક્રો માટે Li/SCE (x = 1)/100-nm પાતળી-ફિલ્મ LiMn2O4 સેલના ગેલ્વેનિક ચાર્જ/ડિસ્ચાર્જ વક્ર.(C) Li/SCE/40-μm Li4Ti5O12 અને Li/SCE/30-μm LiFePO4 પાવડર ઇલેક્ટ્રોડ કોષો (1 mV/s) ના ચક્રીય વોલ્ટામોગ્રામ્સ.(D) 1C, 0.1C, 0.2C અને 0.02C પર Li/SCE/40-μm Li4Ti5O12 પાવડર ઇલેક્ટ્રોડના ગેલ્વેનિક ચાર્જ/ડિસ્ચાર્જ વક્ર.(E) 1C, 0.5C, 0.2C, 0.1C, 0.05C, અને 0.01C પર Li/SCE/30-μm LiFePO4 પાવડર ઇલેક્ટ્રોડના ગેલ્વેનિક ચાર્જ/ડિસ્ચાર્જ વણાંકો.(F) ક્ષમતા (ડેલિથિયેશન માટે ભરેલા હીરા અને લિથિયેશન માટે ખુલ્લા ચોરસ) વિરુદ્ધ Li/SCE/30-μm LiFePO4 પાવડર ઇલેક્ટ્રોડની ચક્ર સંખ્યા;કોષોમાં SCE ની જાડાઈ લગભગ 280 μm છે.LFP અને LTO કેથોડની ઘનતા અનુક્રમે લગભગ 1.9 અને 11.0 mg/cm2 છે.(G) 0.1, 0.2, 0.5 અને 0.1 mA/cm2 ની વર્તમાન ઘનતા પર સાયકલ કરેલ Li/SCE/Li સ્ટેકના સંભવિત વિરુદ્ધ સમય વક્ર.(H) Li/SCE/Li સ્ટેકનું 1 લી, 10મી, 125મી અને છેલ્લી ધ્રુવીકરણ 0.1 mA/cm2 પર ભાર મૂકે છે, જે (G) માં બતાવેલ છે.(G) અને (H) માટે, SCE ની વાહકતા 0. 34 mS/cm છે, અને SCE પેલેટની જાડાઈ 0.152 cm છે.

100-nm LiMn2O4 (LMO) પાતળી-ફિલ્મનો ઉપયોગ નેનો-એસસીઇ અને ઇલેક્ટ્રોડ સામગ્રી બંનેની સ્થિરતા ચકાસવા માટે મોડલ પોઝિટિવ ઇલેક્ટ્રોડ તરીકે કરવામાં આવ્યો હતો જ્યારે કણો સંયુક્ત ઇલેક્ટ્રોડ્સ (37) માં સંભવિત ઇન્ટરફેસ સમસ્યાઓને દૂર કરવામાં આવી હતી.થિન-ફિલ્મ ઇલેક્ટ્રોડ/એસસીઇ સ્ટેકનું સાયકલિંગ પ્રદર્શન ઇલેક્ટ્રોડ અને ઇલેક્ટ્રોલાઇટ વચ્ચેના ઇન્ટરફેસની સ્થિરતા દર્શાવે છે.આ મોડેલ થિન-ફિલ્મ સેટઅપમાં, ઇલેક્ટ્રોલાઇટ અને ઇલેક્ટ્રોડ વચ્ચે માત્ર એક સિંગલ, સારી રીતે વ્યાખ્યાયિત અને પ્લાનર ઇન્ટરફેસ સંપર્ક હાજર છે, એટલે કે, તે વોલ્યુમ ફેરફારની સમસ્યાઓ વિના ઇલેક્ટ્રોલાઇટ/ઇલેક્ટ્રોડ ઇન્ટરફેસની ઇલેક્ટ્રોકેમિસ્ટ્રીનો અભ્યાસ કરવા માટે એક આદર્શ પ્લેટફોર્મ છે. , વગેરે. આ પ્રયોગમાં પણ, લી-ફોઇલ કાઉન્ટર ઇલેક્ટ્રોડ દ્વારા દરની કામગીરી મર્યાદિત નથી, કારણ કે વર્તમાન ઘનતા (1C માટે 6 μA/cm2) લિથિયમ અર્ધ-અર્ધ માટે સ્થિર-સ્થિતિના એનોડિક વર્તમાન ઉચ્ચપ્રદેશ કરતા નીચે છે. કોષ (0.03 mA/cm2).20 થી વધુ ચક્રો (ફિગ. 6B) માટે 1 અને 20C વચ્ચેના C-રેટ માટે 4.3 V પર કટઓફ વોલ્ટેજ માટે પુનઃઉત્પાદનક્ષમ અને સ્થિર ચાર્જ/ડિસ્ચાર્જ વક્ર મેળવવામાં આવે છે.LMO LiB માટે પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાં અસ્થિર છે.ઉદાહરણ તરીકે, 1C (37) પર LiClO4/પ્રોપીલીન કાર્બોનેટ ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાં 10 ચક્ર માટે 100-nm LMO ફિલ્મ ચાર્જ-ડિસ્ચાર્જ પર 50% ક્ષમતામાં ઘટાડો જોવા મળ્યો હતો.અમારા પરિણામો દર્શાવે છે કે નેનો-SCE લાક્ષણિક પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટ કરતાં LMO સાથે વધુ સુસંગત છે.

નેનો-એસસીઇના એકીકરણને દર્શાવવા માટે, અમે Li4Ti5O12 (LTO) અને LiFePO4 (LFP) પાવડર ઇલેક્ટ્રોડ્સ સાથે અડધા કોષો પણ બનાવ્યા.છિદ્રાળુ ઇલેક્ટ્રોડને ગર્ભિત કરવા માટે પૂર્વવર્તી સોલ્યુશનને સિક્કાના કોષમાં ડ્રોપ-કાસ્ટ કરવામાં આવ્યો હતો અને નેનો-એસસીઇ ગોળીઓની જેમ તે સૂકવવામાં આવે તે પહેલાં અને વેક્યૂમ-એનીલ કરવામાં આવે તે પહેલાં તેને વધુ જીલેશન માટે છોડી દેવામાં આવ્યો હતો.કોષો સંબંધિત ઇલેક્ટ્રોડ (ફિગ. 6C) ની લાક્ષણિકતા લિથિએશન/ડેલિથિએશન દર્શાવે છે.LTO કરતાં LFP માટે નીચલા ટોચના પ્રવાહો કોટિંગની જાડાઈમાં તફાવતને કારણે છે.ચાર્જ/ડિસ્ચાર્જ માપન દરમિયાન દરની કામગીરી હવે 30- થી 40-μm-જાડા ઇલેક્ટ્રોડ કોટિંગ્સ (ફિગ. 6, D અને E) ની ટોચ પર બનેલા નેનો-એસસીઇ સ્તર પર દબાવવામાં આવેલા લિ-ફોઇલ કાઉન્ટર ઇલેક્ટ્રોડ દ્વારા મર્યાદિત હતી.LTO/nano-SCE/Li સેલ તેની મહત્તમ ક્ષમતા 160 mA·hour/g સુધી પહોંચી માત્ર 0.02C (ફિગ. 6D) ના નીચા C-રેટ પર.0.1C કરતા મોટા સી-રેટ માટે 10% કરતા ઓછા સી-રેટ સાથે સુલભ ક્ષમતામાં ઝડપથી ઘટાડો થાય છે.તેવી જ રીતે, LFP/SCE/Li સેલ તેની મહત્તમ ક્ષમતા 0.01C (ફિગ. 6E) પર લગભગ 140 mA·hour/g સુધી પહોંચી છે.આકૃતિ 6F કુલ 30 ચક્રો માટે દર પ્રદર્શન દર્શાવે છે, સ્થિર સેલ ગોઠવણી દર્શાવે છે.આ પ્રયોગો લિ-આયન ઇલેક્ટ્રોલાઇટ તરીકે નેનો-એસસીઇની કાર્યક્ષમતા અને લિ-આયન કોશિકાઓમાં એકીકરણ માટેની સંભવિતતા દર્શાવે છે.

નેનો-એસસીઇની સ્થિરતા અથવા ચક્રીયતાનું Li/SCE/Li સપ્રમાણ સ્ટેકનો ઉપયોગ કરીને પરીક્ષણ કરવામાં આવ્યું હતું.તેને 0.1 mA/cm2 ની વર્તમાન ઘનતા પર 0.5 કલાક (ફિગ. 6G) માટે કોઈપણ સમસ્યા અથવા ડેંડ્રાઈટ રચના (ફિગ. 6H) વિના 120 થી વધુ ચક્રો માટે સાયકલ કરવામાં આવ્યું હતું.ધ્રુવીકરણ વોલ્ટેજ સમય જતાં નાનું બન્યું, જે સંપર્કમાં સુધારો દર્શાવે છે.તદુપરાંત, કોષને 0.5 mA/cm2 ની વર્તમાન ઘનતા સુધી ભાર મૂકવામાં આવ્યો હતો, જેમાં લિથિયમ ડેંડ્રાઈટ્સની કોઈ રચના અથવા નેનો-SCE અથવા ઈન્ટરફેસ (ફિગ. 6G) ના બગાડના સંકેતો વિના.મેટાલિક લિથિયમ BMP-TFSI-આધારિત ILEs (27) માં તેની સપાટી પર રક્ષણાત્મક ઇન્ટરફેસ સ્તર અથવા SEI રચવા માટે જાણીતું છે.આ પ્રતિક્રિયા લિથિયમ/નેનો-એસસીઇ ઇન્ટરફેસ પર પણ થાય છે;ફિગ. 6A હેઠળ ચર્ચા કર્યા મુજબ, SEI છિદ્રોની અંદર કંઈક અંશે વૃદ્ધિ પામી શકે છે, ILE (ઉપર જુઓ) કરતાં નેનો-SCE માટે ઉચ્ચ SEI પ્રતિકાર સમજાવે છે.SEI સ્તર માટેનો પુરાવો IR સ્પેક્ટ્રા (અંજીર S9)માંથી મેળવવામાં આવ્યો હતો.ક્લાસિકલ LiB માં SEI કોટિંગની જેમ, જે વધુ પ્રતિક્રિયા ટાળીને પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટમાંથી ગ્રેફાઇટ ઇલેક્ટ્રોડને સ્ક્રીન કરે છે, અમે માનીએ છીએ કે SEI અહીં મેટાલિક લિથિયમ એનોડની વધુ પ્રતિક્રિયાથી બરફના પાણીના સ્તરને પણ સુરક્ષિત કરે છે.Li/nano-SCE (x = 1.5) ના ધ્રુવીકરણ પહેલા અને પછી 10 કલાક માટે ઇમ્પિડન્સ સ્પેક્ટ્રાએ બલ્ક ઇલેક્ટ્રોલાઇટ પ્રતિકારમાં કોઈ ફેરફાર દર્શાવ્યો નથી.લિથિયમ મેટલ દ્વારા નેનો-એસસીઈના ધીમા સૂકવણીને બાકાત રાખવા માટે લાંબા સાયકલિંગ પ્રદર્શન માપનની જરૂર પડશે, પરંતુ આ પરિણામો પહેલાથી જ લિથિયમ મેટલ-આધારિત સોલિડ-સ્ટેટ બેટરીમાં એસસીઈની ઉત્તમ સાયકલબિલિટી માટેની તેની સંભવિતતા દર્શાવે છે.તેમ છતાં, કૃત્રિમ ઇન્ટરફેસ કોટિંગ્સને ઇન્ટરફેસ અવબાધને સંપૂર્ણ રીતે સુધારવા માટે ગણી શકાય.

અમે બતાવ્યું છે કે સિલિકા ઇન્ટરફેસ પર આયન વહન પ્રમોશન OH-ટર્મિનેટેડ સિલિકા સપાટી પર રસાયણયુક્ત પાણીના સ્તરની રજૂઆત દ્વારા પ્રાપ્ત કરી શકાય છે.સપ્રમાણ O═S═O જૂથ સાથે હાઈડ્રોજન બંધન દ્વારા આ પાણીના કાર્યાત્મક સ્તર પર TFSI anions કેમિસોર્બ કરે છે.પાણીની સપાટીનું સ્તર સ્થિર છે અને તેથી શોષિત TFSI સ્તરને પણ સપાટી પર પિન કરે છે.મોટા BMP કેશન્સ TFSI મોનોલેયર સાથે સંકળાયેલા છે, આમ સપાટી પર TFSI-BMP ના મોલેક્યુલર ક્રમની રજૂઆત કરે છે.અમારું માનવું છે કે જલીય વાતાવરણમાં ધીમા જલીકરણ અને ધીમી સૂકવણી કાર્યાત્મક પાણીના સ્તર અને તેની ટોચ પર કાર્બનિક આયનોના સંગઠિત સ્તરની સંયુક્ત રચનામાં મદદ કરે છે.જેમ જેમ પ્રથમ TFSI આયન સ્તર તેના નકારાત્મક ચાર્જનો ભાગ હાઇડ્રોક્સિલેટેડ સિલિકા સાથે શેર કરે છે, તેમ ટોચ પરનું BMP કેશન સ્તર અન્ય TFSI આયન સાથે જોડાણ માંગશે, જેમાં બહુવિધ BMP એક TFSI (સંભવતઃ ત્રણથી એક) સાથે તેમના બિન-કમ્પેન્સેટેડ ચાર્જને શેર કરી શકે છે. ILE માં IL થી Li-TFSI નો ગુણોત્તર).Li-TFSI મીઠાના અણુઓ પાસે સૌથી નજીકનો અભિગમ હોવાથી, Li+ આયનો અલગ થઈ જશે અને આ ઈન્ટરફેસ સ્તર સાથે ઝડપી પ્રસાર માટે મુક્ત થઈ જશે.ઉન્નત વહન માટે, આ મફત Li+ પ્રજાતિઓને પસાર થવા માટે ઓછામાં ઓછા એક વધારાના આયનીય પ્રવાહી સ્તરની જરૂર છે.આ કારણોસર, 0.5 ના નીચા x મૂલ્ય સાથે નેનો-SCE એ કોઈ ઉન્નત વાહકતા દર્શાવી નથી, કારણ કે ILE વોલ્યુમ/સિલિકા સપાટી વિસ્તાર માત્ર એક બંધ મોનોલેયર માટે પૂરતો છે.

તે આગળ દર્શાવવામાં આવ્યું હતું કે નક્કર જેવી સપાટીનું પાણી અથવા બરફનું સ્તર ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ રીતે સક્રિય નથી.આ બિંદુએ, અમે બાકાત રાખી શકતા નથી કે ઇલેક્ટ્રોડ સપાટી સાથે સીધા સંપર્કમાં રહેલું બરફનું પાણી પ્રતિક્રિયા કરતું નથી.જો કે, અમે દર્શાવ્યું છે કે સપાટીના પાણીનું બહાર પ્રસરણ ધીમું છે અને તેથી તે શોધવા માટે ગતિશીલ રીતે નહિવત્ છે.અમે સમજીએ છીએ કે પાણીનું દૂષણ, ભલે તે નાનું હોય, હંમેશા ચિંતાનો વિષય રહેશે, અને માત્ર લાંબા જીવન ચક્ર પરીક્ષણો જ પાણી પૂરતા પ્રમાણમાં બંધાયેલા છે કે કેમ તે અંગે ચોક્કસ જવાબ આપી શકે છે.જો કે, અન્ય કાર્યાત્મક સપાટી સ્તરો કે જે સમાન અથવા વધુ મોટી સપાટીને પ્રોત્સાહન આપે છે તે હવે વિકસાવી શકાય છે.આ સંદર્ભમાં, લિના જૂથે પહેલેથી જ કાર્યાત્મક જૂથ (18) તરીકે ગ્લાયસિડિલોક્સીપ્રોપીલ સ્તરની સંભાવના દર્શાવી છે.બરફનું પાણી સિલિકાનું મૂળ છે અને તેથી આયન વહન પ્રમોશન પર સપાટીના કાર્યક્ષમીકરણની અસરનો વ્યવસ્થિત રીતે અભ્યાસ કરવા માટે આદર્શ રીતે અનુકૂળ છે, જેમ કે અહીં સફળતાપૂર્વક દર્શાવવામાં આવ્યું હતું.વધુમાં, મેસોફેસ સ્તર અને તેનો દ્વિધ્રુવ ઓક્સાઇડ અને શોષિત કાર્બનિક અણુઓ પર આધાર રાખે છે અને આમ બંને દ્વારા ટ્યુન કરી શકાય છે.પ્રયોગશાળામાં, અમે પહેલાથી જ વિવિધ આયનીય પ્રવાહી માટે આયન વહન પ્રોત્સાહનમાં મોટા તફાવતો દર્શાવ્યા છે.તદુપરાંત, બતાવેલ સિદ્ધાંત આયન વહન પ્રત્યે સામાન્ય છે અને આ રીતે તેને યોગ્ય વિવિધ આયન પ્રણાલીઓ માટે પણ લાગુ કરી શકાય છે, ઉદાહરણ તરીકે, સોડિયમ, મેગ્નેશિયમ, કેલ્શિયમ અથવા એલ્યુમિનિયમ આયન બેટરી માટે.નિષ્કર્ષમાં, અહીં દર્શાવેલ ઇન્ટરફેસ વહન સાથે નેનોકોમ્પોઝીટ ઇલેક્ટ્રોલાઇટ એ એક સામગ્રીને બદલે એક ખ્યાલ છે, જે આયન વહન, પરિવહન નંબર, ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ વિન્ડો, સલામતી અને ભાવિ બેટરી સેલ પેઢીઓ માટે કિંમતના ઇચ્છિત ગુણધર્મો માટે આગળ (નેનો) એન્જીનિયર કરી શકાય છે. .

નેનો-એસસીઇ સોલ-જેલ પદ્ધતિનો ઉપયોગ કરીને તૈયાર કરવામાં આવી હતી.લિથિયમ bis(trifluoromethylsulfonyl)imide Li-TFSI;સિગ્મા-એલ્ડ્રિચ;99.95%), ડીયોનાઇઝ્ડ H2O નું 0.5 મિલી, TEOS નું 0.5 મિલી (સિગ્મા-એલ્ડ્રિચ; 99.0%), 1-બ્યુટીલ-1-મેથાઈલપાયરોલિડિનિયમ બીઆઈએસ(ટ્રાઈફ્લુરોમેથાઈલસલ્ફોનીલ) ઈમાઈડ (BMP-TFSI; સિગ્મા-Aldrich; 91%), અને. PGME ના ml કાચની શીશીમાં ભેળવવામાં આવ્યા હતા.મિશ્રણમાં [BMP][TFSI] અને TEOS ની વચ્ચે મોલર રેશિયો, x, 0.25 અને 2 ની વચ્ચે બદલાયો હતો. Li[TFSI] અને [BMP][TFSI] નો દાળ ગુણોત્તર 0.33:1 પર નિશ્ચિત કરવામાં આવ્યો હતો.આ ગુણોત્તર પરથી Li[TFSI] અને [BMP][TFSI] ની માત્રા નક્કી કરવામાં આવી હતી.ઉદાહરણ તરીકે, જ્યારે x = 1, ઉકેલમાં ઉમેરાયેલ [BMP][TFSI] અને Li[TFSI] અનુક્રમે 0.97 અને 0.22 g હતા.મોનોફાસિક સોલ્યુશન બનાવવા માટે મિશ્રણને 1 મિનિટ માટે હલાવવામાં આવ્યા હતા.આ સોલ્યુશન્સ પછી તાપમાન- અને ભેજ-નિયંત્રિત ચેમ્બર (SH-641, ESPEC Corp.) માં તાપમાન અને RH% અનુક્રમે 25°C અને 50% પર સેટ કરીને જેલ બનાવવા માટે હલ્યા વિના બંધ શીશીઓમાં સંગ્રહિત કરવામાં આવ્યા હતા.x પર આધાર રાખીને, મિશ્રણને સ્પષ્ટ જેલ બનાવવામાં સરેરાશ 5 થી 9 દિવસનો સમય લાગે છે.જીલેશન પછી, 2.4- થી 7.4-ml જેલવાળી શીશીઓને પહેલા 40 ° સે તાપમાને ચાર દિવસ માટે સહેજ ઓછા દબાણ (80 kPa) પર સૂકવવામાં આવી હતી અને પછી 25 ° સે પર 72 કલાક માટે વેક્યૂમ ઓવનમાં ખસેડવામાં આવી હતી.જેમ જેમ બાકીનો ભેજ દૂર કરવામાં આવ્યો તેમ, શૂન્યાવકાશ ધીમે ધીમે 50 Pa ની આસપાસના પ્રારંભિક દબાણથી લગભગ 1 દિવસ પછી 5 Pa ના અંતિમ સતત દબાણમાં ઘટાડો થયો.મોટી માત્રામાં પાણી અને PGME ને દૂર કરવાને કારણે, પરિણામી SCE પેલેટ મૂળ જેલ વોલ્યુમના 20% (x = 0.5) થી ~50% (x = 2) સુધી સંકોચાઈ ગયા હતા.પરિણામી જેલ્સનું વજન સેમિમિક્રો બેલેન્સ (SM 1245Di-C, VWR) સાથે માપવામાં આવ્યું હતું.

TGA નાઇટ્રોજન હેઠળ Q5000 IR (TA ઇન્સ્ટ્રુમેન્ટ્સ, ન્યૂ કેસલ, DE, USA) પર કરવામાં આવ્યું હતું.માપન દરમિયાન, નમૂનાઓને 2°C/મિનિટના હીટિંગ દરે 700°C પર ગરમ કરવામાં આવ્યા હતા.FTIR સ્પેક્ટ્રોમેટ્રી ટ્રાન્સમિશન મોડમાં 4000 થી 400 cm−1 સુધીના વેવ નંબરમાં Bruker Vertex 70 નો ઉપયોગ કરીને કરવામાં આવી હતી.માઇક્રોમેરિટિક્સ AccuPyc II 1340 નો ઉપયોગ કરીને તેની પાઇકનોમેટ્રી કરવામાં આવી હતી.

આયનીય વાહકતાને માપવા માટે, એઆર-ભરેલા ગ્લોવ બોક્સ (0.1-ppm H2O અને 0.1-ppm O2) ની અંદર માતાની શીશીમાંથી SCE નું નાનું વોલ્યુમ લેવામાં આવ્યું હતું.લગભગ 23 μl SCE પોલિટેટ્રાફ્લોરોઇથિલિન (PTFE) રિંગમાં 4.34-mm આંતરિક વ્યાસ અને 1.57-mm ઊંચાઈ સાથે ભરવામાં આવ્યું હતું, જે એક પેલેટ બનાવે છે.પછી રીંગમાંની છરાને બે સ્ટેનલેસ સ્ટીલ (SS) ડિસ્ક (0.2 મીમી જાડા; MTI) વચ્ચે સેન્ડવીચ કરવામાં આવી હતી.1 MHz થી 1 Hz સુધીની આવર્તન શ્રેણીમાં 5 mV ના AC કંપનવિસ્તાર સાથે, PGSTAT302 (મેટ્રોહ્મ) નો ઉપયોગ કરીને અવરોધ માપન કરવામાં આવ્યું હતું.આયન વાહકતા (σi) Nyquist પ્લોટમાં વાસ્તવિક ધરી સાથે ઉચ્ચ-આવર્તન અવરોધથી નક્કી કરવામાં આવી હતી.વાહકતા માપન પછી, નેનો-એસસીઇ પેલેટને ગ્લોવ બોક્સમાં વધુ સૂકવવાની મંજૂરી આપવામાં આવી હતી.તાપમાન અવલંબન માપન માટે, SS/SCE/SS સ્ટેક્સને સિક્કાના કોષમાં સીલ કરવામાં આવ્યા હતા.સીલ કર્યા પછી, વાહકતા ઘણા દિવસો સુધી સ્થિર રહી (અંજીર જુઓ. S3).કામના માધ્યમ તરીકે H2O/ઇથિલિન ગ્લાયકોલનો ઉપયોગ કરીને થર્મલ બાથ સાથે થર્મલ જેકેટ વડે સિક્કા કોષનું તાપમાન નિયંત્રિત થાય છે.કોષોને પહેલા લગભગ −15 ° સે સુધી ઠંડું કરવામાં આવ્યું હતું અને પછી ધીમે ધીમે 60 ° સે સુધી ગરમ કરવામાં આવ્યું હતું.

દરેક નેનો-SCE પેલેટમાંથી, લગભગ 23 μl ને નિયંત્રિત ભેજવાળા N2-ભરેલા ગ્લોવ બોક્સની અંદર સીધા વિદ્યુત માપન માટે રિંગમાં (4.34-mm આંતરિક વ્યાસ અને 1.57-mm ઊંચાઈ) લાવવામાં આવ્યા હતા.SCE સાથેની રીંગ પછી બે SS ડિસ્ક (0.2 મીમી જાડા; MTI) વચ્ચે સેન્ડવીચ કરવામાં આવી હતી.5 mV ના AC કંપનવિસ્તાર અને નોવા સોફ્ટવેર દ્વારા નિયંત્રિત 1 MHz થી 1 Hz સુધીની આવર્તન સાથે PGSTAT302 (મેટ્રોહ્મ) નો ઉપયોગ કરીને અવરોધ માપન કરવામાં આવ્યું હતું.સ્થિરતા સુધી વાહકતાનું નિરીક્ષણ કરવામાં આવે તે પહેલાં નમૂનાઓને દરેક RH% મૂલ્ય પર 48 કલાક માટે રાખવામાં આવ્યા હતા.આપેલ RH% મૂલ્ય (σi) માટે સ્થિર આયનીય વાહકતા Nyquist પ્લોટમાં વાસ્તવિક અક્ષ સાથે ઉચ્ચ-આવર્તન અવરોધથી નક્કી કરવામાં આવી હતી.

Li[BMP][TFSI] ILE સાથે અને વગર પેલેટની મોર્ફોલોજી 1.5 થી 2.0 kV પર થર્મો ફિશર સાયન્ટિફિક એપ્રિઓ ટૂલનો ઉપયોગ કરીને SEM સાથે તપાસવામાં આવી હતી જેમાં T1 અને T2 ડિટેક્ટરનો સમાંતર ઉપયોગ કરીને ડ્યુઅલ-ડિટેક્ટર ઇમેજિંગ મોડમાં કાર્ય કરે છે. લાઇવ-ઇમેજ ગોઠવણો, અને T2 ડિટેક્ટરનો ઉપયોગ બતાવેલ SEM છબીઓને રેકોર્ડ કરવા માટે કરવામાં આવ્યો હતો;નમૂના કાર્બન વાહક ટેપ પર નિશ્ચિત કરવામાં આવ્યો હતો.TEM 300 kV પર કાર્યરત Tecnai નો ઉપયોગ કરીને કરવામાં આવ્યું હતું.

ILE ને SCE પેલેટમાંથી બે અલગ અલગ રીતે દૂર કરવામાં આવ્યું હતું.છિદ્રાળુ સિલિકા મેળવવાનો એક વિકલ્પ Li[BMP][TFSI] ILE કાઢવા માટે SCE ને 12 કલાક માટે એસિટોનમાં ડુબાડીને કરવામાં આવ્યો હતો.આ કોગળા ત્રણ વખત પુનરાવર્તન કરવામાં આવ્યું હતું.બીજો વિકલ્પ SCE ને ઇથેનોલમાં પલાળવાનો હતો.આ કિસ્સામાં, પ્રવાહી CO2 ક્રિટિકલ પોઈન્ટ ડ્રાયરનો ઉપયોગ કરીને ઇથેનોલ દૂર કરવામાં આવ્યું હતું.

સુપરક્રિટિકલ સૂકવણી માટે બે અલગ-અલગ સાધનોનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો, જેમ કે, ઓટોમેગાસમડ્રી-916B, ટૌસીમિસ (પદ્ધતિ 1) અને JASCO કોર્પોરેશન દ્વારા કસ્ટમ-બિલ્ટ ટૂલ (પદ્ધતિ 2).પ્રથમ સાધનનો ઉપયોગ કરતી વખતે, સૂકવણીનો ક્રમ તાપમાનમાં 8 ° સે સુધીના ઘટાડા સાથે શરૂ થયો.ત્યારબાદ, CO2 ને ચેમ્બર દ્વારા શુદ્ધ કરવામાં આવ્યું, દબાણ વધીને 5.5 MPa થયું.નીચેના પગલામાં, CO2 ને 41°C સુધી ગરમ કરવામાં આવ્યું, દબાણ વધીને 10 MPa થયું, અને તેને 5 મિનિટ સુધી રાખવામાં આવ્યું.નિષ્કર્ષ પર, રક્તસ્રાવના પગલામાં, દબાણ 10 મિનિટના સમયગાળામાં ઓછું કરવામાં આવ્યું હતું.કસ્ટમ બિલ્ટ ટૂલનો ઉપયોગ કરતી વખતે, સમાન ક્રમ અનુસરવામાં આવ્યો હતો.જો કે, સમય અને દબાણ નોંધપાત્ર રીતે અલગ હતા.શુદ્ધિકરણના પગલા પછી, દબાણ 70 ° સે તાપમાને 12 MPa સુધી વધારવામાં આવ્યું હતું અને 5 થી 6 કલાક સુધી આ રીતે જ રહ્યું હતું.ત્યારબાદ, દબાણ અનુક્રમે 10, 60 અને 10 મિનિટના સમયગાળા દરમિયાન 12 થી 7 MPa, 7 થી 3 MPa અને 3 થી 0 MPa સુધીના અંતરાલોમાં ઘટ્યું હતું.

માઇક્રોમેરિટિક્સ 3Flex સપાટી લાક્ષણિકતા વિશ્લેષકનો ઉપયોગ કરીને નાઇટ્રોજન ફિઝિસોર્પ્શન આઇસોથર્મ્સ T = 77 K પર માપવામાં આવ્યા હતા.મેળવેલ છિદ્રાળુ સિલિકા પછી 0.1-mbar વેક્યૂમ હેઠળ 100°C તાપમાને 8 કલાક માટે બહાર કાઢવામાં આવ્યું હતું.સુપરક્રિટિકલ સૂકવણીમાંથી મેળવેલ છિદ્રાળુ સિલિકા 0.1-mbar શૂન્યાવકાશ હેઠળ 120°C તાપમાને 18 કલાક માટે બહાર નીકળી ગયું હતું.ત્યારબાદ, માઇક્રોમેરિટિક્સ ટ્રાઇસ્ટાર 3000 સ્વચાલિત ગેસ શોષણ વિશ્લેષકનો ઉપયોગ કરીને નાઇટ્રોજન ફિઝિસોર્પ્શન આઇસોથર્મ્સ T = 77 K પર માપવામાં આવ્યા હતા.

PFG-NMR માપન JEOL JNM-ECX400 નો ઉપયોગ કરીને કરવામાં આવ્યું હતું.પ્રસરણ માપન માટે ઉત્તેજિત ઇકો પલ્સ સિક્વન્સનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો.સામાન્યકૃત ઇકો સિગ્નલ એટેન્યુએશન, E, સમીકરણ (38)E=exp(−γ2g2δ2D(Δ−δ/3))(1)માં વર્ણવેલ છે જ્યાં g એ ગ્રેડિયન્ટ પલ્સની મજબૂતાઈ છે, δ એ ઢાળની અવધિ છે પલ્સ, ∆ એ ગ્રેડિયન્ટ કઠોળની અગ્રણી કિનારીઓ વચ્ચેનું અંતરાલ છે, γ એ મેગ્નેટોગાયરિક ગુણોત્તર છે, અને D એ પરમાણુઓનો સ્વ-પ્રસાર ગુણાંક છે.સ્વ-પ્રસરણ ગુણાંકનો અંદાજ ઇકો સિગ્નલોને ફિટ કરીને કરવામાં આવ્યો હતો જે Eq સાથે ∆ બદલીને મેળવવામાં આવ્યા હતા.1. લિથિયમ આયનના પ્રસરણ ગુણાંકને નિર્ધારિત કરવા માટે 7Li પસંદ કરવામાં આવ્યું હતું.તમામ માપન 30 ° સે પર કરવામાં આવ્યું હતું.

રામન સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી સેટઅપ એ 458-એનએમ લેસર ઉત્તેજના લાઇટ સાથે ટ્યુન કરવામાં સક્ષમ આર્ગોન આયનનો ઉપયોગ કરીને એક હોમમેઇડ સિસ્ટમ હતી જે ઇન્વર્ટેડ ઓલિમ્પસ IX71 માઇક્રોસ્કોપમાં જોડવામાં આવી હતી, અને બેક-સ્કેટર્ડ લાઇટ ટ્રાઇવિસ્ટા ટ્રિપલ સ્પેક્ટ્રોમીટર સેટઅપ (પ્રિન્સટન ઇન્સ્ટ્રુમેન્ટ્સ) દ્વારા પસાર કરવામાં આવી હતી. ), જેનો ઉપયોગ લિક્વિડ નાઇટ્રોજન-કૂલ્ડ ચાર્જ-કપ્લ્ડ ડિવાઇસ કેમેરાનો ઉપયોગ કરીને શોધાયેલ ઓપ્ટિકલ સિગ્નલોને વિખેરવા માટે કરવામાં આવ્યો હતો.આ તરંગલંબાઇ પર ઉચ્ચ ઓપ્ટિકલ શોષકતાને જોતાં, લેસર હીટિંગ (<100 W·cm−2) ટાળવા માટે પ્રમાણમાં ઓછી લેસર શક્તિઓનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો.

DFT ગ્રાઉન્ડ-સ્ટેટ ભૂમિતિ ઓપ્ટિમાઇઝેશન અને વિશ્લેષણાત્મક આવર્તન ગણતરીમાં લોકપ્રિય B3LYP હાઇબ્રિડ ફંક્શનલ અને 6-311++G** બેઝિસ સેટનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો, જેમાં ગ્રિમના પરમાણુ-પેયરવાઇઝ ડિસ્પર્સન કરેક્શન (39) સાથે બેક-જ્હોનસન ડેમ્પિંગ સ્કીમ (D3BJ), તરીકે ORCA 3.0.3 (40) માં અમલમાં મૂકાયેલ છે.ORCA નો ઉપયોગ કરીને રમન સ્પેક્ટ્રાનું અનુકરણ કરવામાં આવ્યું હતું, અને ORCA-સપોર્ટેડ અપડેટ સાથે એવોગાડ્રો સોફ્ટવેર પેકેજ (41) નો ઉપયોગ કરીને મોલેક્યુલર ગુણધર્મોનું વિઝ્યુલાઇઝેશન પ્રાપ્ત થયું હતું.

તમામ ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ માપન અને સંબંધિત નમૂનાની તૈયારી ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ લાક્ષણિકતાઓ માટે સમર્પિત આર્ગોનથી ભરેલા ગ્લોવ બોક્સ (PureLab, PL-HE-4GB-1800; <1-ppm O2 અને H2O સ્તરો) માં કરવામાં આવી હતી.SCE પેલેટને કોપર પ્લેટ પર આધારભૂત લિ રિબન (સિગ્મા-એલ્ડ્રીચ; 99.9%) પર મૂકવામાં આવ્યું હતું કારણ કે કાઉન્ટર ઇલેક્ટ્રોડ અને બે પંચ આઉટ લિ ડિસ્ક (5-મીમી વ્યાસ) સંદર્ભ અને કાર્ય માટે SCE પેલેટની ટોચ પર મૂકવામાં આવી હતી. ઇલેક્ટ્રોડ્સસેટઅપ ફિગમાં બતાવવામાં આવ્યું છે.S7.લિથિયમ સંદર્ભ અને કાર્યકારી ઇલેક્ટ્રોડ્સનો સંપર્ક કરવા માટે ગોલ્ડ પિનનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો.નોવા સોફ્ટવેર દ્વારા નિયંત્રિત PGSTAT302 (મેટ્રોહ્મ) નો ઉપયોગ કરીને ચક્રીય વોલ્ટમેટ્રી અને અવરોધ માપન કરવામાં આવ્યું હતું.ચક્રીય વોલ્ટમેટ્રી 20 mV/s ના સ્કેન દર સાથે કરવામાં આવી હતી.અવરોધ માપન 5 mV ના AC કંપનવિસ્તાર અને 1 MHz થી 0.1 Hz સુધીની આવર્તન સાથે કરવામાં આવ્યું હતું.

ALD દ્વારા જમા કરાયેલ 40-nm TiN અન્ડરલેયર સાથે 300-mm સિલિકોન વેફર પર એટોમિક લેયર ડિપોઝિશન (ALD) દ્વારા 40-nm અનાટેઝ TiO2 પાતળી-ફિલ્મ ઇલેક્ટ્રોડ જમા કરવામાં આવી હતી.ઇલેક્ટ્રોલાઇટ્સ દ્વારા લિ-આયન વાહકતાના પ્રદર્શન માટે તે એક ઉત્તમ પરીક્ષણ ઇલેક્ટ્રોડ છે, કારણ કે સાઇકલિંગ દરમિયાન TiO2 રાસાયણિક અધોગતિ અથવા યાંત્રિક તણાવ (કોઈ નોંધપાત્ર વોલ્યુમ ફેરફાર)થી પીડાતું નથી.Li/SCE/TiO2 સેલને માપવા માટે, ILE-SCEs 4.3 mm વ્યાસ અને 0.15 cm ની જાડાઈ સાથે PTFE રિંગમાં ભરવામાં આવ્યા હતા;પછી, લી ફોઇલ અને TiO2 ફિલ્મ વચ્ચે રિંગને સેન્ડવીચ કરવામાં આવી હતી.

નેનો-એસસીઇ/પાતળી-ફિલ્મ ઇલેક્ટ્રોડ અડધા સ્ટેક્સ, એલએમઓ ઇલેક્ટ્રોડ સાથે, ઇલેક્ટ્રોડ્સ પર નેનો-એસસીઇ ફિલ્મને સંશ્લેષણ કરીને બનાવટી હતી.કુલ 150 μl નું x = 1.5 સોલ્યુશન, 2 દિવસ માટેનું, ઇલેક્ટ્રોલાઇટ ફિલ્મો પર માઉન્ટ થયેલ કાચની વીંટી (વ્યાસ, 1.3 મીમી) માં ડ્રોપ-કાસ્ટ કરવામાં આવ્યું હતું.પછી રીંગને પેરાફિલ્મથી સીલ કરવામાં આવી હતી, અને સોલ્યુશનને 4 દિવસ માટે જેલ કરવા માટે આવા સીલબંધ કન્ટેનરમાં રાખવામાં આવ્યું હતું.જેમ કે રચાયેલ જેલ/ઇલેક્ટ્રોડ સ્ટેક નેનો-એસસીઇ/ઇલેક્ટ્રોડ સ્ટેક્સ બનાવવા માટે સૂકવવામાં આવ્યું હતું.નેનો-એસસીઇની જાડાઈ, માઇક્રોમીટરનો ઉપયોગ કરીને નક્કી કરવામાં આવી હતી, તે 300 μm હતી.છેલ્લે, એનોડ તરીકે નેનો-એસસીઈ/ઈલેક્ટ્રોડ સ્ટેક પર લિથિયમ ફોઈલ (1.75 મીમી જાડા, 99.9%; સિગ્મા-એલ્ડ્રીચ) દબાવવામાં આવ્યું હતું.100-nm LiMn2O4 (LMO) પાતળી-ફિલ્મ ઇલેક્ટ્રોડ 80-nm Pt (DC sputtering)/10-nm TiN (ALD) અંડરલેયર્સ સાથે કોટેડ સિલિકોન વેફર પર Ar ફ્લો હેઠળ રેડિયો ફ્રીક્વન્સી સ્પુટરિંગ દ્વારા જમા કરવામાં આવી હતી.આ સ્ટેકને ઓક્સિજન વાતાવરણમાં 800 °C તાપમાને 20 મિનિટ માટે એન્નીલ કરવામાં આવ્યું હતું.

LiFePO4 (LFP) ઇલેક્ટ્રોડ ફિલ્મો બ્લેડ કોટિંગ દ્વારા તૈયાર કરવામાં આવી હતી.સૌપ્રથમ, કાર્બન બ્લેક અને LFP (2 થી 3 μm) ને કાર્બોક્સિમેથિલસેલ્યુલોઝ (CMC) ધરાવતાં જલીય દ્રાવણમાં ઉમેરવામાં આવ્યાં હતાં જે બાદમાં પ્લેનેટરી મિક્સરનો ઉપયોગ કરીને એકરૂપ બને છે.પછી, હોમોજનાઇઝ્ડ પ્રોડક્ટને ડીયોનાઇઝ્ડ પાણી અને ફ્લોરિનેટેડ એક્રેલિક લેટેક્ષ (JSR, TRD202A) સાથે વેક્યૂમ મિક્સરમાં ભેળવીને ઇલેક્ટ્રોડ કોટિંગ માટે સ્લરી બનાવવામાં આવી હતી.બ્લેડ કોટરનો ઉપયોગ કરીને ઇલેક્ટ્રોડ ફિલ્મો જમા કરવા માટે તૈયાર સ્લરીને એલ્યુમિનિયમ ફોઇલ્સ પર નાખવામાં આવી હતી.આ કોટેડ ભીના ઇલેક્ટ્રોડને તરત જ વાતાવરણીય પકાવવાની નાની ભઠ્ઠીમાં 70 ° સે પર 10 મિનિટ માટે સ્થિર હવા સાથે સૂકવવામાં આવ્યા હતા અને વેક્યૂમ પકાવવાની નાની ભઠ્ઠીમાં 4 કલાક માટે 140 ° સે પર વધુ સૂકવવામાં આવ્યા હતા.સૂકી ઇલેક્ટ્રોડ ફિલ્મોમાં 91 wt % LiFePO4, 3 wt % કાર્બન બ્લેક, 2 wt % CMC અને 4 wt % TRD202Aનો સમાવેશ થાય છે.ફિલ્મની જાડાઈ 30 μm છે (માઈક્રોમીટર અને સ્કેનિંગ ઈલેક્ટ્રોન માઈક્રોસ્કોપનો ઉપયોગ કરીને નક્કી કરવામાં આવે છે).

Li4Ti5O12 (LTO) ઇલેક્ટ્રોડ ફિલ્મો એ જ રીતે કોપર ફોઇલ્સ પર બનાવવામાં આવી હતી.સૂકા ઇલેક્ટ્રોડની રચના 85 wt % Li4Ti5O12, 5 wt % કાર્બન બ્લેક, 5 wt % CMC અને 5 wt % ફ્લોરિનેટેડ એક્રેલિક લેટેક્સ (TRD2001A) છે.ફિલ્મની જાડાઈ 40 μm છે.

SCE ના સોલ્યુશનને પાર્ટિકલ-આધારિત LFP અને LTO ઇલેક્ટ્રોડ ફિલ્મ પર ડ્રોપ-કાસ્ટ કરવામાં આવ્યું હતું.સૌપ્રથમ, 100 μl x = 1.5 સોલ્યુશન, જે 2 દિવસ માટેનું છે, તેને ઇલેક્ટ્રોડ ફિલ્મ પર ડ્રોપ-કાસ્ટ કરવામાં આવ્યું હતું, જેનો વ્યાસ 15 mm હતો, જે સિક્કાના કોષમાં મૂકવામાં આવ્યો હતો (#2032, MTI).ગર્ભિત SCE ને જેલ કરવામાં આવ્યા પછી, નેનો-SCE અને ઇલેક્ટ્રોડ સ્ટેક બનાવવા માટે વેક્યૂમ ઓવન (<5 × 10−2 mbar) માં 72 કલાક માટે ફિલ્મને 25°C પર સૂકવવામાં આવી હતી.નેનો-SCE જાડાઈ 380 μm હતી.છેલ્લે, એનોડ તરીકે SCE/ઇલેક્ટ્રોડ સ્ટેક્સ પર લિથિયમ ફોઇલ દબાવવામાં આવ્યું હતું, અને સિક્કો સેલ સીલ કરવામાં આવ્યો હતો.ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ માપન ઓરડાના તાપમાને સોલાર્ટ્રોન 1470E પોટેન્ટિઓસ્ટેટનો ઉપયોગ કરીને કરવામાં આવ્યું હતું.

આ લેખ માટેની પૂરક સામગ્રી http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/2/eaav3400/DC1 પર ઉપલબ્ધ છે

કોષ્ટક S1.N2 શોષણ/ડિસોર્પ્શન અથવા BET માપન અને TEM અવલોકનોથી નિર્ધારિત આયનીય પ્રવાહીના દાઢ અપૂર્ણાંકથી સિલિકા (x મૂલ્ય) વધારવા માટે નેનો-એસસીઇમાં સિલિકા મેટ્રિક્સના માળખાકીય ગુણધર્મો.

આ ક્રિએટિવ કૉમન્સ એટ્રિબ્યુશન-નોન-કમર્શિયલ લાઇસન્સની શરતો હેઠળ વિતરિત કરાયેલ એક ઓપન-ઍક્સેસ લેખ છે, જે કોઈપણ માધ્યમમાં ઉપયોગ, વિતરણ અને પુનઃઉત્પાદનની પરવાનગી આપે છે, જ્યાં સુધી પરિણામી ઉપયોગ વ્યવસાયિક લાભ માટે ન હોય અને જો મૂળ કાર્ય યોગ્ય રીતે હોય. ટાંકેલ

નોંધ: અમે ફક્ત તમારા ઇમેઇલ સરનામાંની વિનંતી કરીએ છીએ જેથી કરીને તમે જે વ્યક્તિને પૃષ્ઠની ભલામણ કરી રહ્યાં છો તે જાણી શકે કે તમે તેમને તે જોવા માગો છો અને તે જંક મેઇલ નથી.અમે કોઈપણ ઈમેલ એડ્રેસ કેપ્ચર કરતા નથી.

આ પ્રશ્ન તમે માનવ મુલાકાતી છો કે નહીં તે ચકાસવા અને સ્વયંચાલિત સ્પામ સબમિશનને રોકવા માટે છે.

ઝુબિન ચેન દ્વારા, બ્રેખ્ત પુટ, અકિહિકો સાગરા, નુટ ગાન્ડ્રુડ, મિત્સુહિરો મુરાતા, જુલિયન એ. સ્ટીલ, હિરોકી યાબે, થોમસ હેન્ટશેલ, માર્ટેન રોફેર્સ, મોરીયો ટોમિયામા, હિડેકાઝુ અરાસે, યુકિહિરો કાનેકો, મિકિનારી શિમાડા, માર્ટેન મેઆર્ટેન, વેર.

પોસ્ટ સમય: જુલાઈ-15-2020