அயனி திரவ எலக்ட்ரோலைட் நிரப்பியின் மொத்த லி-அயன் கடத்துத்திறனை விட இடைமுக கடத்துத்திறன் ஊக்குவிப்புடன் சிலிக்கா ஜெல் திட நானோகாம்போசிட் எலக்ட்ரோலைட்டுகள்

திட-நிலை Li-ion பேட்டரிகளுக்கு மாறுவது 1000 W·hour/liter மற்றும் அதற்கு அப்பால் ஆற்றல் அடர்த்தியை நோக்கி முன்னேற உதவும்.நிலையற்ற அயனி திரவ எலக்ட்ரோலைட் நிரப்பிகளால் நிரப்பப்பட்ட மெசோபோரஸ் ஆக்சைடு மேட்ரிக்ஸின் கலவைகள் திடமான எலக்ட்ரோலைட் விருப்பமாக ஆராயப்பட்டுள்ளன.இருப்பினும், நானோமீட்டர் அளவிலான துளைகளுக்குள் எலக்ட்ரோலைட் கரைசல்களின் எளிமையான அடைப்பு பாகுத்தன்மை அதிகரிக்கும் போது குறைந்த அயனி கடத்துத்திறனுக்கு வழிவகுக்கிறது.ஒரு அயனி திரவ எலக்ட்ரோலைட் நிரப்பியுடன் கூடிய மீசோபோரஸ் சிலிக்கா மோனோலித் கொண்ட நானோகாம்போசைட்டுகளின் லி-அயன் கடத்துத்திறன் ஒரு இடைமுக பனி அடுக்கு அறிமுகப்படுத்துவதன் மூலம் தூய அயனி திரவ எலக்ட்ரோலைட்டை விட பல மடங்கு அதிகமாக இருக்கும் என்பதை இங்கே நாங்கள் நிரூபிக்கிறோம்.அயனி திரவ மூலக்கூறுகளின் வலுவான உறிஞ்சுதல் மற்றும் வரிசைப்படுத்துதல் ஆகியவை இடைமுக பனி அடுக்கைப் போலவே அவற்றை அசைவற்றதாகவும் திடமானதாகவும் ஆக்குகின்றன.அட்ஸார்பேட் மீசோபேஸ் அடுக்கின் மேல் உள்ள இருமுனையானது மேம்படுத்தப்பட்ட கடத்துகைக்காக Li+ அயனிகளைத் தீர்த்து வைக்கிறது.அயனி கடத்தல் விரிவாக்கத்தின் நிரூபிக்கப்பட்ட கொள்கை வெவ்வேறு அயனி அமைப்புகளுக்குப் பயன்படுத்தப்படலாம்.

சாலிட்-ஸ்டேட் எலக்ட்ரோலைட்டுகள் லி-அயன் பேட்டரிகள் 800 W·hour/liter அல்லது 300 W·hour/kg என்ற நடைமுறை உச்சவரம்பைத் தாண்டுவதற்கு அடுத்த ஊக்கத்தை அளிக்கும் என்று எதிர்பார்க்கப்படுகிறது.திட-நிலை பேட்டரிகளுக்கான ஆற்றல் அடர்த்தியில் எதிர்பார்க்கப்படும் அதிகரிப்பு பல பங்களிப்புகளிலிருந்து வருகிறது, இவை அனைத்தும் கலத்தில் செயலில் உள்ள பொருட்களின் தொகுதி சதவீதத்தை அதிகரிப்பதை இலக்காகக் கொண்டுள்ளன.கிராஃபைட் மற்றும் கிராஃபைட்/சிலிக்கானை நேர்மின்முனையாக மாற்ற லித்தியம் உலோகத்தை அறிமுகப்படுத்துவது மிகவும் விளம்பரப்படுத்தப்பட்டது.தூய லித்தியம் உலோகம் சாத்தியமான அதிக ஆற்றல் அடர்த்தியைக் கொண்டுள்ளது, எனவே குறைந்த இடம் தேவைப்படும்.இருப்பினும், லித்தியம் உலோகத்தின் மீளமுடியாத எதிர்வினை (இதனால் நுகர்வு), டென்ட்ரைட் உருவாக்கம், நுண்ணிய கிராஃபைட் (சிலிக்கான்) மின்முனைகளுடன் ஒப்பிடும்போது பிளானர் லித்தியம் படலங்களுக்கான பயனுள்ள மின்னோட்ட அடர்த்தி அதிகரிப்பு போன்ற பல சிக்கல்கள் இன்னும் தீர்க்கப்பட வேண்டும். ஆனால் குறைந்தது அல்ல, வெளியேற்றத்தின் போது லித்தியம் "காணாமல் போவது" மற்றும் திடமான எலக்ட்ரோலைட்டுடன் தொடர்பு இழப்பு.பீங்கான் திட எலக்ட்ரோலைட்டுகளின் இயந்திர ரீதியாக திடமான தன்மை பூஜ்ஜிய இணக்கத்தைக் கொண்டுள்ளது, மேலும் திட எலக்ட்ரோலைட் கூறுகளுக்கு எதிராக லித்தியத்தை உறுதியாக அழுத்துவதற்கு தீவிர அழுத்தங்கள் பயன்படுத்தப்பட வேண்டும்.தனித்த அழுத்தப் புள்ளிகள் பயனுள்ள மேற்பரப்பை இன்னும் குறைக்கின்றன, இது உள்ளூர் டென்ட்ரைட் உருவாக்கம் மற்றும் பஞ்சுபோன்ற வைப்புகளுக்கு வழிவகுக்கிறது.பாலிமர் எலக்ட்ரோலைட்டுகள் மிகவும் இயந்திரத்தனமாக இணக்கமாக உள்ளன, ஆனால் அறை வெப்பநிலையில் போதுமான அதிக அயனி கடத்துத்திறனை இன்னும் வெளிப்படுத்தவில்லை.இந்த விஷயத்தில் மிகவும் சுவாரஸ்யமான புதிய பொருட்கள் சிலிக்கா ஜெல் எலக்ட்ரோலைட்டுகள் ஆகும், அவை "அயனோஜெல்ஸ்" என்றும் குறிப்பிடப்படுகின்றன, அங்கு ஒரு அயனி திரவ எலக்ட்ரோலைட் (ILE) ஒரு நானோபோரஸ் சிலிக்கா மேட்ரிக்ஸில் (1) வரையறுக்கப்பட்டுள்ளது.சிலிக்கா மேட்ரிக்ஸின் மிக உயர்ந்த போரோசிட்டி (70 முதல் 90%) இந்த நானோகாம்போசிட் எலக்ட்ரோலைட் பொருட்களுக்கு ஜெல் போன்ற நிலைத்தன்மையை அளிக்கிறது, இதனால் அவை பாலிமர் எலக்ட்ரோலைட்டுகளைப் போலவே இயந்திரத்தனமாக இணக்கமாக இருக்கும்.இந்த சிலிக்கா ஜெல்கள் சில சமயங்களில் ஹைப்ரிட் திட எலக்ட்ரோலைட்டுகளாகக் குறிப்பிடப்படுகின்றன, ஏனெனில் அவை ஒரு திரவத்தைக் கொண்டிருக்கின்றன.இருப்பினும், சிலிக்கா நானோகாம்போசைட்டுகளுக்கு, இந்த தாளில் விவரிக்கப்பட்டுள்ளபடி, அயனி "திரவ" எலக்ட்ரோலைட், பல்லாயிரக்கணக்கான நானோமீட்டர் அளவிலான சேனல்களில் அடைக்கப்படும்போது, பாகுத்தன்மையின் அதிகரிப்பு மற்றும் சிலிக்கா சுவரில் உள்ள உறிஞ்சுதல் ஆகியவற்றால் திடமானதாக மாறும். சேனல்.சிலிக்கா மேட்ரிக்ஸ் ஒரு நுண்துளை பிரிப்பானாக மட்டுமே செயல்பட்டால், வரையறுக்கப்பட்ட திரவ எலக்ட்ரோலைட்டுக்கான பாகுத்தன்மை அதிகரிப்பு அயனி கடத்துத்திறன் குறைவதற்கு வழிவகுக்கும்.மாறாக, ILE மூலக்கூறுகளுக்கும் சிலிக்கா துளை சுவருக்கும் இடையிலான தொடர்பு, நானோகாம்போசிட்டின் பண்புகளை அதன் தனிப்பட்ட கூறுகளின் கூட்டுத்தொகையிலிருந்து வேறுபட்டதாக ஆக்குகிறது.ஆக்சைடுகளில் உள்ள அயனி திரவங்களின் உறிஞ்சுதல், ஒரு சில நானோமீட்டர்கள் தடிமன் கொண்ட திடமான மீசோபேஸ் அடுக்குகளை உருவாக்குவது, அணுசக்தி நுண்ணோக்கி (2) மூலம் சமதள பரப்புகளில் காட்டப்பட்டுள்ளது.ஆக்சைடு பரப்புகளில் உள்ள அயனி திரவ அயனிகள் மற்றும் கேஷன்களின் தேர்ந்தெடுக்கப்பட்ட உறிஞ்சுதல் இந்த இடைமுகங்களில் மேம்படுத்தப்பட்ட Li+ கடத்துத்திறனுக்கு வழிவகுக்கும்.நிச்சயமாக, ஆக்சைடு இடைமுகங்களுடனான மேம்பாடு, துளைகளின் மையப்பகுதியில் உள்ள ILE மூலம் குறைக்கப்பட்ட கடத்துத்திறனை ஈடுசெய்ய வேண்டும் அல்லது மீற வேண்டும்.எனவே, சிறிய துளை அளவு மற்றும் அதிக மேற்பரப்பு முதல் தொகுதி விகிதங்கள் விரும்பப்படுகின்றன.இதுவரை, ILE ஐ நெருங்கும் அயனி கடத்துத்திறன் கொண்ட அயனோஜெல்கள் மீசோபோரஸ் கட்டமைப்பை மேம்படுத்துவதன் மூலம் நிரூபிக்கப்பட்டுள்ளன (3).இதன் பொருள் இடைமுக மேம்பாடு ஏற்கனவே இருந்தது ஆனால் மொத்த கடத்துத்திறனை மீறும் அளவிற்கு இல்லை.

ஆக்சைடு மேட்ரிக்ஸின் (4, 5) தொகுப்புக்காக ஒரு சோல்-ஜெல் முன்னோடி கரைசலில் ஒரு ILE சேர்க்கப்படும் ஒரே மாதிரியான திரவ கலவையிலிருந்து அயனோஜெல்களின் தயாரிப்பு தொடங்குகிறது.இந்த முறையில், ILE மற்றும் மேட்ரிக்ஸ் ஆகியவை "இன் சிட்டு" முறையில் ஒரு கலவையை உருவாக்குகின்றன: கரைசலில் உள்ள முன்னோடிகள் அயனி திரவ வார்ப்புருவைச் சுற்றி ஒரு ஆக்சைடு மேட்ரிக்ஸை உருவாக்க வினைபுரிந்து, செயல்பாட்டில் அதை இணைக்கின்றன.சில தொகுப்பு நிலைமைகளின் கீழ், தயாரிக்கப்பட்ட ILE-SCE (திட கலவை எலக்ட்ரோலைட்) ஒரு தொடர்ச்சியான மீசோபோரஸ் கனிம ஆக்சைடு நெட்வொர்க்கில் உட்பொதிக்கப்பட்ட ILE உடன் ஒரு ஒற்றைப்பாதை வடிவத்தில் இருக்க முடியும்.இதுவரை, பெரும்பாலும் சிலிக்கா அடிப்படையிலான ஐஎல்இ-எஸ்சிஇகள் இப்படித்தான் தயாரிக்கப்படுகின்றன, இருப்பினும் அலுமினா (6), டைட்டானியா (7) மற்றும் டின் ஆக்சைடு (8) போன்றவற்றிலும் கூட எடுத்துக்காட்டுகள் செய்யப்பட்டுள்ளன.பெரும்பாலான அறிக்கையிடப்பட்ட சோல்-ஜெல் ஃபார்முலேஷன்களில் ஐஎல்இ, டெட்ராஎதில் ஆர்த்தோசிலிகேட் (TEOS) போன்ற அல்கைல்-சிலிகேட் சிலிக்கா முன்னோடியாகவும், ஃபார்மிக் அமிலம் வினை மற்றும் கரைப்பானாகவும் (9, 10) உள்ளது.இந்த சோல்-ஜெல் செயல்முறைக்கு முன்மொழியப்பட்ட பொறிமுறையின் (11) படி, சிலிக்கா முக்கியமாக TEOS மற்றும் ஃபார்மிக் அமிலத்திற்கு இடையிலான எதிர்வினையால் உற்பத்தி செய்யப்படுகிறது, இருப்பினும் சோல்-ஜெல் செயல்முறையின் போது நீர் உருவாக்கப்படுகிறது.இந்த ஃபார்மிக் அமிலம் அடிப்படையிலான "அல்லாத" கலவைகளைத் தவிர, HCl ஒரு வினையூக்கியாகக் கொண்ட அக்வஸ் சோல்-ஜெல் கலவைகள் மற்றும் H2O ஒரு வினைப்பொருளாக (கூடுதலாக கரிம கரைப்பான்) விவரிக்கப்பட்டுள்ளன, இருப்பினும், இந்த குறிப்பிட்ட விஷயத்தில் சிலிக்கா கலவையின் தொகுப்புக்காக அயனி திரவம் மட்டுமே (12-15).

பொதுவாக, ஐயோஜெல்கள் ILE குறிப்பை விட அயனி கடத்துத்திறனைக் காட்டுகின்றன.முதல் தலைமுறை அயனோஜெல்களின் அறை வெப்பநிலை கடத்துத்திறன் பொதுவாக மொத்த ILE மதிப்பில் 30 முதல் 50% வரை மட்டுமே இருந்தது, இருப்பினும் சில எடுத்துக்காட்டுகள் 80% வரை அடையும் என்று தெரிவிக்கப்பட்டுள்ளது (9, 10, 16, 17).ILE உள்ளடக்கத்தின் விளைவு மற்றும் அயனோஜெல் கடத்துத்திறன் மீதான துளை உருவவியல் ஏற்கனவே விரிவாக ஆராயப்பட்டது (3);இருப்பினும், இடைமுக விரிவாக்க விளைவுகள் பற்றிய முறையான ஆய்வு எதுவும் தெரியவில்லை.வூ மற்றும் பலர்.(18) சமீபத்தில் ஒரு இன் சிட்டு செயல்படும் அயனோஜெல் பற்றி அறிக்கை செய்யப்பட்டது, இது மொத்த ILE உடன் ஒப்பிடும்போது கடத்துத்திறனை மேம்படுத்தியது.சிலிக்கா மேற்பரப்பில் அயனிக்கும் 3-கிளைசிடிலாக்சிப்ரோபில் செயல்பாட்டுக் குழுவிற்கும் இடையிலான தொடர்பு காரணமாக இந்த மேம்பாடு கூறப்பட்டது.இந்த கண்டுபிடிப்பு மேற்பரப்பு செயல்பாடு உண்மையில் இடைமுக கடத்தல் மேம்பாட்டை மேம்படுத்தும் என்ற கருத்தை ஆதரிக்கிறது.

இந்த வேலையில், சிலிக்கா மீது ஒரு திடமான பனி நீர் அடுக்கு உருவாக்கப்படுவதை நாங்கள் நிரூபிக்கிறோம் மற்றும் மேற்பரப்பு பனி செயல்பாட்டு அடுக்கு மற்றும் உறிஞ்சப்பட்ட அயனி திரவ மீசோபேஸ் அடுக்கு ஆகியவற்றுக்கு இடையே அதிகரித்த இருமுனை தொடர்பு மூலம் இடைமுக லி-அயன் கடத்தலின் பொறிமுறையை விவரிக்கிறோம்.அதிக உள் மேற்பரப்பு மற்றும் அடர்த்தியான பனி செயல்பாட்டு அடுக்கு ஆகியவற்றின் கலவையால், மொத்த ILE குறிப்பை விட 200% அதிக லி-அயன் கடத்துத்திறன் கொண்ட திட நானோகாம்போசிட் எலக்ட்ரோலைட்டுகள் (நானோ-SCE) அடையப்பட்டது.சிலிக்கா மேட்ரிக்ஸ், 90% மற்றும் 1400 m2/g வரையிலான துளை அளவுகள் மற்றும் மேற்பரப்பு பகுதிகள் கொண்ட உண்மையான ஒற்றைக்கல் மெசோபோரஸ் அமைப்பைக் கொண்டிருப்பதாகக் காட்டப்படுகிறது, இதனால் இந்த இடைமுகங்களில் கடத்தல் மேம்பாட்டின் பெரும் பங்களிப்பை அனுமதிக்கும் தீவிர மேற்பரப்பு-க்கு-தொகுதி விகிதங்களை வழங்குகிறது.மேற்பரப்பு-க்கு-தொகுதி விகிதத்தை அதிகரிப்பதன் மூலம் சிலிக்கா மேற்பரப்பின் உகந்த செயல்பாட்டின் மூலம், 10 mS/cm ஐத் தாண்டிய அயனி கடத்துத்திறன் கொண்ட நானோ-SCE பொறிக்கப்படலாம், இதனால் வாகனப் பயன்பாடுகளுக்கு அதிக திறன் கொண்ட பேட்டரிகள் மிகவும் கவர்ச்சிகரமானவை.

ராமன், ஃபோரியர் டிரான்ஸ்ஃபார்ம் அகச்சிவப்பு (FTIR) மற்றும் நியூக்ளியர் மேக்னடிக் ரெசோனன்ஸ் (NMR) ஸ்பெக்ட்ரோஸ்கோபி ஆகியவற்றின் ஆதாரங்களுடன் மீசோபேஸ் லேயரை உருவாக்குவதன் மூலம் மேம்படுத்தப்பட்ட இடைமுகக் கடத்துத்திறனின் பொறிமுறையில் எங்கள் கட்டுரையின் கவனம் உள்ளது.உயர் மின்னழுத்தத்தில் எங்கள் நானோ-SCE பொருளின் இடைமுக நிலைத்தன்மை மெல்லிய-பட லித்தியம் மாங்கனீசு ஆக்சைடு (LMO) மின்முனைகளைப் பயன்படுத்தி நிரூபிக்கப்படுகிறது.இந்த வழியில், எலக்ட்ரோடு ஒருங்கிணைப்பு மற்றும் செல் அசெம்பிளி சிக்கல்களைக் காட்டிலும் பொருள் மீது கவனம் செலுத்துகிறது.இதேபோல், மின்வேதியியல் சாளரம் மற்றும் லித்தியம் உலோகத் தகடுகளுக்கு எதிரான நிலைத்தன்மை ஆகியவை முழுமையாக வகைப்படுத்தப்படுகின்றன.லித்தியம் இரும்பு பாஸ்பேட் (LFP) மற்றும் லித்தியம் டைட்டனேட் (LTO) கலங்களின் அசெம்பிளி மற்றும் வீத செயல்திறன் சோதனைகள் மூலம் எங்கள் நானோ-SCE இன் செயல்பாடு மற்றும் ஒருங்கிணைப்பு நிரூபிக்கப்படுகிறது.நமது எலக்ட்ரோலைட்டின் நிலைத்தன்மை மற்றும் பனி நீரின் மின்வேதியியல் செயலற்ற தன்மை ஆகியவை சமச்சீர் Li-SCE-Li செல்களின் நீண்ட கால சுழற்சி மூலம் காட்டப்பட்டது.ஆற்றல் அடர்த்தியை மேம்படுத்துதல், வீத செயல்திறன் மற்றும் முழுமையாக இணைக்கப்பட்ட கலங்களின் சைக்கிள் ஓட்டுதல் செயல்திறன் ஆகியவை பின்தொடர்தல் ஆவணங்களின் மையமாக இருக்கும் (19, 20).

இரண்டு-கட்ட கலப்பு அமைப்புகளில் இடைமுக அயனி கடத்துத்திறன் மேம்பாடு கிட்டத்தட்ட 90 ஆண்டுகளாக அறியப்படுகிறது (21).எடுத்துக்காட்டாக, தூய லித்தியம் உப்பு எலக்ட்ரோலைட்டின் அயனி கடத்துத்திறனுடன் ஒப்பிடும்போது, சிலிக்கா அல்லது அலுமினா போன்ற மீசோபோரஸ் ஆக்சைடு துகள்களுடன் லித்தியம் அயோடைடு போன்ற எளிய லித்தியம் உப்பின் கலவைகளுக்கு நான்கு வரிசைகள் வரை அயனி கடத்துத்திறன் அதிகரிப்பு காட்டப்பட்டுள்ளது (22).இந்த SCE களில் உள்ள அயனிகள் ஆக்சைடு/எலக்ட்ரோலைட் இடைமுகத்தில் உருவாகும் Li ion-depleted (அல்லது காலியிடங்கள் நிறைந்த) மின் இரட்டை அடுக்குடன் மிக வேகமாக பரவும்.துரதிர்ஷ்டவசமாக, இந்த எளிய இரண்டு-கூறு கனிம திட-திட கலவைகளில் பெறப்பட்ட அயனி கடத்துத்திறன் லி-அயன் பேட்டரியில் தற்போதைய சேகரிப்பான் தட்டுகளுக்கு இடையே உள்ள சில நூறு-மைக்ரோமீட்டர் தூரத்தைக் குறைக்கத் தேவையான 1-mS/cm2 வரம்பை மீறவில்லை. .அயனி கடத்துத்திறனைப் பொறிக்க ஆக்சைடு மேட்ரிக்ஸுடன் கூடிய பன்முக ஊக்கமருந்து என்ற கருத்து பாலிமர் எலக்ட்ரோலைட்டுகள் (23) மற்றும் ILE கள் (24) ஆகியவற்றிற்கும் ஆராயப்பட்டது, அவை தொடங்குவதற்கு அதிக உள்ளார்ந்த அயனி கடத்துத்திறன் கொண்டவை.கூடுதலாக, மூன்றாவது கூறுகளின் பணக்கார மூலக்கூறு (ஸ்டீரியோ) வேதியியல் கூடுதல் அயனி கடத்தல் வழிமுறைகளைத் திறக்கிறது, ஏனெனில் (டி) துருவ கரைப்பான் போன்ற மூலக்கூறுகள் மின் இரட்டை அடுக்கு உருவாக்கத்தில் பங்கேற்கலாம்.பாலிஎதிலீன் ஆக்சைடு பாலிமர் எலக்ட்ரோலைட்டுகளில் உள்ள ஈதர் குழுக்களின் தீர்க்கும் செயல் LiClO4 க்கு ~10−6 S/cm முதல் LiN(SO2CF3)2 க்கு ~10−5 S/cm வரை திட-நிலை அயனி கடத்துத்திறனை வழங்குகிறது, அவற்றின் கலவைகள் சிலிக்கா, அலுமினா , அல்லது டைட்டானியா நானோ துகள்கள் உண்மையில் அளவிடப்பட்ட அயனி கடத்துத்திறனில் 10 மடங்கு மேம்பாட்டை வழங்க முடியும் (25)ILE தீர்வுகள் ஒரு லி-உப்பு கரைப்பான் மற்றும் ஒரு அயனி திரவ கரைப்பான் கலவையாகும், அவை ஏற்கனவே 0.1 மற்றும் 10 mS/cm (26, 27) இடையே அதிக உள்ளார்ந்த அயனி கடத்துத்திறனைக் கொண்டிருக்கலாம்.ஆக்சைடு நானோ துகள்களுடன் கலந்து அல்லது ஜெல்லிங் செய்வதன் மூலம் அயனி கடத்துத்திறனை அதிகரிக்க அல்லது மெசோபோரஸ் மைக்ரோ துகள்களில் (9, 16, 28, 29) ILE ஐ அடைத்து வைக்க பல முயற்சிகள் மேற்கொள்ளப்பட்டுள்ளன.இருப்பினும், இதுவரை, மூன்று-கூறு Li-உப்பு/அயனி திரவம்/ஆக்சைடு கலவைகளுக்கு (fig. S1) அயனி கடத்துத்திறன் எந்த முன்னேற்றமும் காணப்படவில்லை.திட நானோ துகள்களுடன் ஒப்பிடும்போது மெசோபோரஸ் சிலிக்கா நுண் துகள்களின் பயன்பாடு அதிக கடத்துத்திறனை விளைவித்தாலும், இடைமுக மேற்பரப்பு மற்றும் அயனி கடத்தல் ஊக்குவிப்பு மொத்த ILE கடத்துத்திறனை விட போதுமானதாக இல்லை.

மெசோபோரஸ் சிலிக்கா என்பது வினையூக்கத்தில் பயன்படுத்தப்படும் ஒரு நன்கு அறியப்பட்ட பொருள்.இது பொதுவாக நீர்வெப்ப அல்லது எளிய சோல்-ஜெல் தொகுப்பு மூலம் செய்யப்படுகிறது.ஹைட்ரோதெர்மல் செயல்முறைகள் பொதுவாக மெசோபோரஸ் பொடிகளுக்கு வழிவகுக்கும், ஆனால் அறை வெப்பநிலை சோல்-ஜெல் செயல்முறையை கவனமாகக் கட்டுப்படுத்துவதன் மூலம், பெரிய நுண்துளை கண்ணாடி மோனோலித்கள் அல்லது ஏரோஜெல்களும் தயாரிக்கப்படுகின்றன.சிலிக்கா மேட்ரிக்ஸ் நீராற்பகுப்பு மற்றும் டெட்ரா-அல்கைல் ஆர்த்தோசிலிகேட்டுகளின் ஒடுக்க வினைகள் மூலம் உருவாகிறது (30).துளை கட்டமைப்பைக் கட்டுப்படுத்துவதில் முக்கியமானது டெம்ப்ளேட்களைப் பயன்படுத்துவதாகும், எடுத்துக்காட்டாக, ஒரு சர்பாக்டான்ட் வகை மைக்கேல், அதைச் சுற்றி சிலிக்கா மேட்ரிக்ஸ் உருவாகிறது.ஒரு அயனி திரவமானது வார்ப்புரு மூலக்கூறாக சேர்க்கப்படும் போது, நீரேற்றப்பட்ட சிலிக்கா அணி அயனி திரவத்துடன் தொடர்புகொண்டு, ஒரு ஜெல்லை உருவாக்குகிறது, மேலும் குணப்படுத்தி உலர்த்திய பிறகு, அயனி திரவமானது திட நானோபோரஸ் சிலிக்கா மேட்ரிக்ஸுக்குள் அடைக்கப்படுகிறது (13).லித்தியம் உப்பு மூன்றாவது அங்கமாக சேர்க்கப்படும் போது, சிலிக்கா மேட்ரிக்ஸில் உள்ள ILE ஆனது சிலிக்கா ஜெல் எலக்ட்ரோலைட்டை உருவாக்குகிறது, இது அயனோஜெல் (24) என்றும் குறிப்பிடப்படுகிறது.இருப்பினும், இதுவரை, இந்த சிலிக்கா ஜெல் எலக்ட்ரோலைட்டுகள் கடத்துத்திறனைக் காட்டுகின்றன.

தூய ILE க்கு அப்பால் நானோகாம்போசிட்டின் லி-அயன் கடத்துத்திறனை முறையான ஊக்குவிப்பதை இங்கே காட்டுகிறோம்.1-பியூட்டில்-1-மெத்தில்பைரோலிடினியம் பிஸ்(ட்ரைஃப்ளூரோமெதைல்சல்போனைல்)இமைடு (BMP-TFSI)ன் உதாரணம் இங்கே பயன்படுத்தப்படுகிறது.OH-முடிக்கப்பட்ட சிலிக்கா மேற்பரப்பில் உள்ள அயனி திரவ மூலக்கூறுகளின் உறிஞ்சுதல் இடைமுக பனி நீர் அடுக்கு இருப்பதால் ஊக்குவிக்கப்படுகிறது.பனி நீருக்கும் TFSI− அயனிக்கும் இடையே உள்ள வலுவான ஹைட்ரஜன் பிணைப்பு அயனி திரவத்தின் மூலக்கூறு வரிசைப்படுத்தலைத் தூண்டுகிறது, அயனி திரவங்களில் தன்னிச்சையாக உருவாகும் வரிசைப்படுத்தப்பட்ட களங்களைப் போலவே (31).மொத்த ILE இல் தோராயமாக உருவாக்கப்பட்ட களங்களுடனான முக்கிய வேறுபாடு என்னவென்றால், பனி அடுக்கு ஒரு செயல்பாட்டு அடுக்காக செயல்படுகிறது, இது (i) ஆக்சைடு மேற்பரப்பில் மூலக்கூறு வரிசையைத் தூண்டுகிறது மற்றும் (ii) இலவச Li+ ஐ வெளியிடுவதற்கு இருமுனைகளைத் தூண்டுவதற்கு போதுமான வலுவான H-பிணைப்பை அறிமுகப்படுத்துகிறது. மேம்படுத்தப்பட்ட கடத்தலுக்கு.இலவச Li+ செறிவு அதிகரிப்புக்கு அடுத்ததாக, உறிஞ்சப்பட்ட ILE அடுக்கு மற்றும் பனி நீர் அடுக்கு ஆகியவற்றுடன் கலப்பு இடைமுகத்தில் பரவலுக்கான செயல்படுத்தும் ஆற்றல் குறைவாக இருப்பதைக் காண்பிப்போம்.

சிலிக்காவில் உள்ள சில-மோனோலேயர்ஸ்-தடிமனான மேற்பரப்பு நீர் அடுக்கு ஒரு திட-போன்ற அடுக்கு ஆகும், ஏனெனில் இது H-பாலங்கள் வழியாக சிலானால் குழுக்களுடன் வலுவாக பிணைக்கப்பட்டுள்ளது, எனவே இது பனி அடுக்கு (32) என்றும் குறிப்பிடப்படுகிறது.அதன் அடர்த்தி மற்றும் தடிமன் (மூன்று முதல் நான்கு ஒற்றை அடுக்குகள் வரை மதிப்பிடப்பட்டுள்ளது, ஒரு பனி மோனோலேயருக்கு ~0.25 nm) சுற்றுச்சூழலில் (அத்தி. S2) பகுதி நீர் அழுத்தத்துடன் வெப்ப இயக்கவியல் சமநிலையில் உள்ளது (அத்தி S2).உறிஞ்சப்பட்ட அயனி அடுக்குகளுடன் ஹைட்ரஜன் பிணைப்பும் அதிகரிப்பதால், பனி நீர் அடுக்கின் தடிமனுடன் அயனி கடத்துத்திறன் அதிகரிக்கிறது என்பதைக் காட்டுகிறோம்.பனி நீர் அடுக்கு இரசாயன கலவைகளில் உள்ள படிக நீரைப் போலவே நிலையானது.இது அதி செறிவூட்டப்பட்ட அக்வஸ் எலக்ட்ரோலைட்டுகள் அல்லது உப்பு கலவைகளில் உள்ள நீர் என்று அழைக்கப்படுவதற்கு முற்றிலும் மாறுபட்டது, அங்கு மின் வேதியியல் சாளரம் கடுமையாக விரிவடைகிறது, ஆனால் இறுதியில், நீர் இன்னும் மின் வேதியியல் ரீதியாக செயலில் உள்ளது (33).

வழக்கமான ஃபார்மிக் அமிலம்-வினையூக்கிய அயனோஜெல் ரெசிபிகளில் இருந்து வேறுபட்டு, மிதமான pH 5 கலவையைப் பயன்படுத்தினோம், அதிக அளவு தண்ணீர் மற்றும் PGME (1-methoxy-2-propanol) Li-TFSI உப்பு மற்றும் BMP-TFSI அயனி திரவத்துடன் TEOS முன்னோடியில் சேர்க்கப்பட்டது.இந்த pH இல், நீராற்பகுப்பு எதிர்வினைகள் மெதுவாக இருக்கும், அதே சமயம் ஒடுக்கம் சாதகமாக இருக்கும் (30).லி அயனிகள் நீராற்பகுப்பு வினைக்கு ஊக்கியாக செயல்படும் என நம்பப்படுகிறது, ஏனெனில் லித்தியம் உப்பு இல்லாத நிலையில் ஜெலேஷன் ஏற்படவில்லை, இரண்டும் ஒரே pH 5 ஐக் கொண்டிருந்தன. TEOS க்கு அயனி திரவத்தின் மோலார் விகிதம் (இதனால் சிலிக்கா பகுதிகள்) x மதிப்பாகக் குறிப்பிடப்பட்டு 0.25 மற்றும் 2 க்கு இடையில் மாறுபடுகிறது. BMP-TFSI மற்றும் Li-TFSI இன் மோலார் விகிதம் 3 இல் வைக்கப்பட்டது (1 M Li-ion கரைசலுடன் தொடர்புடையது).மோனோலித் கட்டமைப்பின் கட்டமைப்பு ஒருமைப்பாட்டைப் பராமரிக்க மெதுவாக உலர்த்துதல் அவசியம் (பொருட்கள் மற்றும் முறைகளைப் பார்க்கவும்).படம் 1A வெற்றிட உலர்த்தலுக்குப் பிறகு பெறப்பட்ட ஒரு ஒற்றைத் துகள்களின் புகைப்படத்தைக் காட்டுகிறது.72-மணிநேர வெற்றிட உலர்த்துதல், FTIR ஆல் உறுதிப்படுத்தப்பட்டபடி, உறிஞ்சப்பட்ட பனி நீர் அடுக்கு முழுவதுமாக அப்படியே இருக்கும் போது, அனைத்து இலவச நீரும் அகற்றப்படும் ஒரு இடத்திற்கு அனைத்து ஈரப்பதத்தையும் அகற்ற போதுமானதாக இருந்தது.வெற்றிட உலர்த்தும் படிக்குப் பிறகு எந்த மாதிரியிலும் 1635 செ.மீ−1 இல் இலவச நீருக்கான அதிர்வுகள் கண்டறியப்படவில்லை (படம் 2).ஒப்பிடுகையில், 60% RH இல் N2 கையுறை பெட்டியில் 1 வாரம் சேமிக்கப்பட்ட நானோ-SCE மாதிரிக்கான (x = 1.5) FTIR ஸ்பெக்ட்ரம் காட்டப்பட்டுள்ளது.இந்த வழக்கில், ஒரு தெளிவான இலவச நீர் உச்சம் தோன்றுகிறது.மறுபுறம், அனைத்து மாதிரிகளும் சிலானால் மேற்பரப்பு செயல்பாட்டிற்கான தெளிவான சமிக்ஞையைக் காட்டுகின்றன (Si─OH 950 மற்றும் 980 செ.மீ.-1 இடையே வளைவு) மற்றும் ஒரு உறிஞ்சப்பட்ட பனி நீர் அடுக்கு (O─H ~3540 செ.மீ.-1 வரை நீட்சி) H-பிணைப்பு மூலம் ─OH மேற்பரப்பு குழுக்கள் (மேலும் விவரங்கள் கீழே).நானோ-SCE (அட்டவணை S1) இல் தக்கவைக்கப்பட்ட தண்ணீரை அளவிடுவதற்கு உலர்த்தும் படிக்கு முன்னும் பின்னும் குப்பிகள் எடையிடப்பட்டன.பின்னர், அதிகப்படியான எடையிலிருந்து மேற்பரப்பு-பிணைந்த பனி அடுக்குகளின் தொடர்புடைய மோனோலேயர்களின் எண்ணிக்கையைக் கணக்கிடுவோம்.வெற்றிட-உலர்ந்த துகள்கள் கையுறை பெட்டியில் [<0.1-ppm (ஒரு மில்லியனுக்கு பாகங்கள்) H2O] கொண்டு வரப்பட்டு அசல் நீர் உள்ளடக்கத்தை பராமரிக்க மூடிய குப்பிகளில் சேமிக்கப்பட்டது.மேலும் குணாதிசயத்திற்காக ஒரு சிறிய தொகுதி துகள்களிலிருந்து எடுக்கப்பட்டது.

(A) குப்பியில் தொகுக்கப்பட்ட இரண்டு நானோ-SCE துகள்களின் (இடது) படம்;ஜெலேஷன் செய்த பிறகு, ஒரு வெளிப்படையான துகள்கள் பெறப்படுகின்றன.துகள்கள் முற்றிலும் வெளிப்படையானது, எனவே பார்வைக்கு நீல நிற சாயல் கொடுக்கப்பட்டது.ILE அகற்றப்படும் போது, அதிக நுண்ணிய சிலிக்கா மேட்ரிக்ஸில் (வலது) உடையக்கூடிய வெள்ளைத் துகள்கள் இருக்கும்.(B) ILE ஐ அகற்றிய பிறகு இருக்கும் SiO2 மேட்ரிக்ஸின் எலக்ட்ரான் மைக்ரோஸ்கோபி (SEM) படத்தை ஸ்கேன் செய்தல்.(C) சில மேக்ரோபோர்களுடன் மேட்ரிக்ஸ் பொருளின் மீசோபோரஸ் தன்மையை சித்தரிக்கும் (B) இல் காட்டப்பட்டுள்ள படத்தை பெரிதாக்கவும்.(D) டிரான்ஸ்மிஷன் எலக்ட்ரான் நுண்ணோக்கி (TEM) படம் நுண்துளை மேட்ரிக்ஸ் பொருளின் கட்டுமானத் தொகுதிகளாக 7- முதல் 10-என்எம் சிலிக்கா நானோ துகள்களின் அடர்த்தியான பொதியைக் காட்டுகிறது.(இ) SiO2 (x மதிப்பு) ஐப் பொறுத்து ILE இன் வெவ்வேறு மோலார் விகிதங்களுக்கு திட்டமிடப்பட்ட மேட்ரிக்ஸ் கட்டமைப்பின் போரோசிட்டி.கோடு கோடு ILE மற்றும் சிலிக்காவின் தொகுதிப் பகுதியிலிருந்து தீர்மானிக்கப்பட்ட தத்துவார்த்த போரோசிட்டியை வழங்குகிறது.அசிட்டோன்-துவைக்கப்பட்ட மாதிரிகள் (கருப்பு சதுரங்கள்) காற்றில் உலர்த்தப்பட்டன, இது x > 0.5 க்கு கட்டமைப்பின் பகுதி சரிவை அளிக்கிறது.எத்தனால்-துவைக்கப்பட்ட நானோ-SCE (பச்சை வட்டங்கள்) இன் சூப்பர்கிரிட்டிகல் CO2 உலர்த்துதல் CO2 (திறந்த வட்டம்) கூடுதல் மெதுவாக அகற்றுவதற்கு x = 2 வரை சரிவதைத் தடுக்கிறது.BET, புரூனவர்-எம்மெட்-டெல்லர்.புகைப்பட கடன்: ஃப்ரெட் லூசன், imec;அகிஹிகோ சாகாரா, பானாசோனிக்.

(A) நானோ-SCE இன் ஐஆர் ஸ்பெக்ட்ரா வெற்றிடத்தில் (கருப்பு) உலர்த்தப்பட்டு, பின்னர் 9 நாட்களுக்கு (நீலம்) 0.0005% RH உடன் ஒரு கையுறை பெட்டியில் உலர்த்தப்பட்டு 30% RH க்கு 4 நாட்கள் (சிவப்பு) மற்றும் 60 க்கு வெளிப்படும். முறையே 8 நாட்களுக்கு (பச்சை) % RH.au, தன்னிச்சையான அலகுகள்.(B) x மதிப்புகள் 1.0 (நீலம்), 1.5 (பச்சை), மற்றும் 2.0 (சிவப்பு) மற்றும் ILE குறிப்பு (கருப்பு) கொண்ட Li/SCE/TiN அடுக்கின் சுழற்சி வோல்டாமோகிராம்கள்;இன்செட் மின்னோட்டத்தை மடக்கை அளவில் காட்டுகிறது.(C) Li/SCE (x = 2)/40-nm TiO2 ஸ்டாக் (சிவப்பு), ILE (புள்ளியிடப்பட்ட கருப்பு), மற்றும் ILE இன் சுழற்சி வோல்டாமோகிராம்கள் 5 எடை % (wt %) H2O (கோடு-புள்ளியிடப்பட்ட நீலக் கோடு);(B) மற்றும் (C) இல், H2O உடன் ILE மற்றும் ILE உடன் அளவீடுகள் மூன்று-எலக்ட்ரோடு உள்ளமைவில் TiN உடன் வேலை செய்யும் மின்முனையாகவும், Li எதிர் மற்றும் குறிப்பு மின்முனைகளாகவும் செய்யப்பட்டன.வெற்றிட உலர்த்தலுக்குப் பிறகு கையுறை பெட்டியில் SCE 2 நாட்களுக்கு உலர்த்தப்பட்டது.

எங்கள் வெற்றிட-அனீலேட் நானோ-SCE இன் அயனி கடத்துத்திறன் (σi) துகள் கலவைகளைப் பொறுத்தவரை (அத்தி. S1) ஐஎல்இ (x மதிப்பு) இன் தொகுதிப் பகுதியுடன் அதிகரித்தது.இருப்பினும், இந்த வழக்கில், அயனி கடத்துத்திறன் தூய ILE ஐ விட உயர்ந்த x மதிப்புகளுக்கு 200% க்கும் அதிகமாக உள்ளது (படம் 3).மேலும், மேம்படுத்தப்பட்ட அயனி கடத்துத்திறனுடன் கூடிய நானோ-SCE இன் வெப்பநிலை சார்பு தூய ILE-ஐ விட வேறுபட்ட நடத்தையைக் காட்டியது: BMP-TFSI ILE இல் உள்ள Li-TFSI உருகுவதைச் சுற்றியுள்ள கடத்துத்திறன் மற்றும் செயல்படுத்தும் ஆற்றலில் (சாய்வு) தெளிவான மாற்றத்தைக் காட்டுகிறது. கலவையின் புள்ளி 29 ° C, மேம்படுத்தப்பட்ட கடத்துத்திறன் கொண்ட நானோ-SCE இல்லை.அதற்கு பதிலாக, இது வெப்பநிலையுடன் σi இல் தொடர்ச்சியான மாறுபாட்டைக் காட்டுகிறது, இது முன்னர் அடையாளம் காணப்படாத கட்டம் அல்லது மீசோபேஸ் உருவாகிறது என்பதைக் குறிக்கிறது, இது மேம்பட்ட கடத்துத்திறனுக்குப் பொறுப்பாகும்.மேலும், ILE உடன் ஒப்பிடும்போது நானோ-SCE க்கான பரவலுக்கான சிறிய சாய்வு மற்றும் குறைந்த செயல்படுத்தும் ஆற்றல் வெவ்வேறு பொருள் பண்புகளைக் குறிக்கிறது (அத்தி. S3).அயனி திரவ மூலக்கூறுகள் மற்றும் சிலிக்கா சாரக்கட்டு மீது திட பனி அடுக்கு ஆகியவற்றுக்கு இடையேயான வலுவான தொடர்பு கவனிக்கப்பட்ட மீசோபேஸ் நடத்தைக்கு காரணமாகும், இது கீழே முன்மொழியப்பட்ட மாதிரியுடன் விவாதிக்கப்படும்.

(A) 2 (கருப்பு சதுரங்கள்), 1.75 (ஆரஞ்சு வட்டங்கள்), 1.5 (நீல முக்கோணங்கள்) மற்றும் 1.0 (பச்சை முக்கோணங்கள்) x மதிப்புகள் கொண்ட கையுறை பெட்டியில் (GB) 8 நாட்களுக்கு உலர்த்தப்பட்ட நானோ-SCEகளின் கடத்துத்திறனின் வெப்பநிலை சார்பு ) மற்றும் ILE குறிப்பு (திறந்த சதுரங்கள்).(B) நானோ-SCEகளின் கடத்துத்திறன் கூடுதலாக GB இல் 0 நாட்கள் (பச்சை சதுரங்கள்), 10 நாட்கள் (கருப்பு முக்கோணங்கள்) மற்றும் 138 நாட்கள் (நீல முக்கோணங்கள்) உலர்த்தப்படுகிறது.(C) 2 (கருப்பு சதுரங்கள்), 1.5 (நீல முக்கோணங்கள்), 1.0 (பச்சை முக்கோணங்கள்) மற்றும் 0.5 (பழுப்பு வைரங்கள்) ஆகியவற்றின் x மதிப்புகள் கொண்ட நானோ-SCE இன் உலர்த்தும் நேரத்தின் கடத்துத்திறன் மற்றும் சதுர மூலத்திற்கு.(D) x = 2 (கருப்பு சதுரங்கள்), 1.5 (நீல முக்கோணங்கள்) மற்றும் 1.0 (பச்சை முக்கோணங்கள்) கொண்ட நானோ-SCE இன் கடத்துத்திறன் N2-நிரப்பப்பட்ட ஈரப்பதம் அறையில் வெளிப்படும்.

கையுறை பெட்டியில் உள்ள ஆர்கான் வளிமண்டலத்தில் 0.1 ppm க்கும் குறைவான நீர் உள்ளது, இது 0.0005% RH, 0.01 Pa இன் பகுதி நீர் அழுத்தம் அல்லது −88 ° C இன் பனி புள்ளிக்கு ஒத்திருக்கிறது.சிலானால்-முடிக்கப்பட்ட சிலிக்கா மீது உறிஞ்சப்பட்ட நீர் அடுக்குகளின் எண்ணிக்கையானது நீரின் பகுதியளவு அழுத்தத்துடன் சமநிலையில் இருப்பதால் (அத்தி. S2), மேற்பரப்பு நீர் மெதுவாக நானோ-SCE யிலிருந்து வெளியேறி விளிம்புகளில் பதங்கமடையும்.கையுறை பெட்டியில் வசிக்கும் நேரத்தின் செயல்பாடாக 23 μl நானோ-SCE க்கான கடத்துத்திறனில் ஏற்படும் மாற்றத்தை படம் 3C காட்டுகிறது.கையுறை பெட்டியில் 0.01 Pa என்ற நீர் பகுதி அழுத்தத்துடன் சமநிலையில் சிலிக்கா மேற்பரப்புடன் தொடர்புடைய மதிப்பில் நிறைவுறும் வரை உலர்த்தும் போது அயனி கடத்துத்திறன் குறைகிறது.க்ளோவ் பாக்ஸின் தீவிர வறண்ட நிலையிலும், குறைந்தபட்சம், சிலானால் மீது உறிஞ்சப்பட்ட நீரின் ஒரு பகுதி மோனோலேயர் உள்ளது, ராமன் ஸ்பெக்ட்ரோஸ்கோபி இன்னும் 3524 செ.மீ−1 இல் ஒரு சமிக்ஞையைக் காட்டியது, இது சிலனாலில் உறிஞ்சப்பட்ட நீரின் முதல் மோனோலேயருக்குக் குறிப்பிட்டது. (படம் 4B).நிறைவுற்ற நிலைமைகளின் கீழ் அயனி கடத்துத்திறன் எல்லா நிகழ்வுகளிலும் தனிப்பட்ட ILE ஐ விட மிகவும் குறைவாக இருந்தது.எனவே, துளையின் மையப்பகுதியில் வரையறுக்கப்பட்ட ILE இன் அயனி கடத்துத்திறன் இழப்பை ஈடுசெய்ய விரிவாக்கம் போதுமானதாக இல்லை.

(A) 1.5 (சிவப்பு), ILE குறிப்பு (கருப்பு) மற்றும் SiO2 (நீலம்) ஆகியவற்றின் x மதிப்பு கொண்ட நானோ-SCE இன் IR ஸ்பெக்ட்ரா, O═S═O குழு (1231 cm−1) இதில் ஈடுபட்டுள்ளது என்பதைக் காட்டுகிறது. சிலிக்கா மேற்பரப்பில் OH-குழுக்களுடன் தொடர்பு.(B) 2 (கருப்பு), 1.5 (சிவப்பு), மற்றும் 0.5 (நீலம்) ஆகியவற்றின் x மதிப்புகள் கொண்ட நானோ-SCE இன் ராமன் நிறமாலை, செறிவூட்டலுக்கு (0.0005) அருகில் நானோ-SCE க்கும் கூட சிலானால்-டெர்மினேட் சிலிக்கா மீது பிணைக்கப்பட்ட பனி நீர் இருப்பதைக் காட்டுகிறது. % RH) கையுறை பெட்டியில் (30 நாட்கள்).(C) TFSI− அயனியானது அதன் எதிர்மறை மின்னூட்டத்தின் ஒரு பகுதியை உறிஞ்சப்பட்ட பனி-TFSI-BMP லேயருடன் பகிர்ந்துகொள்வதால், நானோ-SCE இல் Li-TFSIயை இலவச Li+ ஆக பிரித்தெடுக்கும் இடைமுக தொடர்புக்கான முன்மொழியப்பட்ட மாதிரி;நிறங்கள் ஊதா (சிலிக்கான்), சிவப்பு (லித்தியம்), அடர் மஞ்சள் (சல்பர்), ஆரஞ்சு (ஆக்ஸிஜன்), நீலம் (நைட்ரஜன்), வெள்ளை (ஹைட்ரஜன்) மற்றும் பச்சை (ஃவுளூரின்) கொண்ட வெவ்வேறு கூறுகளைக் குறிக்கின்றன.ஊதா நிறக் கோடுகள் TFSI அயனின் O═S குழுவிற்கும் ஹைட்ராக்சிலேட்டட் சிலிக்கா மேற்பரப்பின் OH-குழுக்களுக்கும் இடையிலான ஹைட்ரஜன் பிணைப்பைக் குறிக்கின்றன.உறிஞ்சப்பட்ட அடுக்குக்கு மேல் இருமுனையினால் விடுவிக்கப்பட்ட Li+ அயனிகள் அடுத்தடுத்த மொபைல் வழியாக இடம்பெயரலாம் அல்லது இடைமுக அடுக்குகளுக்கு மேலே உள்ள அயனி திரவ அடுக்குகளை பரப்பலாம்.ஹைட்ரஜன் பிணைப்புகளின் வலிமை மற்றும் சிலிக்கா மீது சமமான சார்ஜ் ஆகியவற்றைப் பொறுத்து, பல உறிஞ்சப்பட்ட அடுக்குகள் உருவாகலாம்.முழு நிறமாலை படம் காட்டப்பட்டுள்ளது.S8.

படம் 3C இல் காட்டப்பட்டுள்ளபடி உலர்த்தும் நேரத்தின் வர்க்க மூலத்துடனான நேரியல் தொடர்பு என்பது ஒரு சுவாரஸ்யமான அவதானிப்பு, கடத்துத்திறன் மாற்றம் சிலிக்கா மீது உறிஞ்சப்பட்ட பனி நீரின் அளவு மாற்றங்களுக்கு நேரடியாக விகிதாசாரமாக இருப்பதைக் குறிக்கிறது மற்றும் இந்த மேற்பரப்பு நீரை அகற்றுவது பரவல் வரையறுக்கப்பட்டது."உலர்த்துதல்" என்பது ஒரு திறந்த சூழலில் மட்டுமே நிகழ்கிறது, அங்கு RH சமநிலை பனி அடுக்குக்கு குறைவாக இருக்கும்.கடத்துத்திறன் குறிப்பிடத்தக்கதாக மாறவில்லை, எடுத்துக்காட்டாக, வெப்பநிலை சார்ந்த அளவீடுகளுக்கு பயன்படுத்தப்படும் மூடிய நாணய கலங்களில்.

நானோ-SCE இன் வெப்பநிலை சார்பு கையுறை பெட்டியில் உலர்த்தும் வெவ்வேறு நேரங்களுக்கு அளவிடப்பட்டது.உலர்ந்த நானோ-எஸ்சிஇயின் கடத்துத்திறன் ஐஎல்இயை நெருங்கியதும், மீசோபேஸ் கடத்துத்திறனுக்கான தொடர்ச்சியான σi மற்றும் 1/டி சுயவிவரங்கள் படிப்படியாக ILEக்கான சுயவிவரத்திற்கு மாறியது, மீண்டும் அதன் உருகுநிலையைச் சுற்றியுள்ள வீழ்ச்சியை வெளிப்படுத்துகிறது (அத்தி. S3).இந்த அவதானிப்பு மேலும் ஐஸ் அடுக்கு ILE உடனான இடைமுக தொடர்புக்கான செயல்பாட்டு அடுக்காக செயல்படுகிறது என்ற அனுமானத்தை ஆதரிக்கிறது, இது நானோ-SCE இல் மீசோபேஸ் நடத்தைக்கு வழிவகுக்கிறது.எனவே, செயல்பாட்டு அடுக்கு அகற்றப்படும் போது, ILE ஒரு மீசோபோரஸ் ஆக்சைடு சவ்வுக்குள் மட்டுமே அடைக்கப்படுகிறது.

மின்வேதியியல் நிலைப்புத்தன்மை சாளரத்தின் அளவீடுகள் நானோ-SCE இல் உள்ள பனி நீர் நிலையானது என்பதை உறுதிப்படுத்துகிறது, ஏனெனில் நீர் குறைப்பு அல்லது ஆக்சிஜனேற்றத்திற்கான உச்சநிலைகள் செயலற்ற TiN மின்முனையிலோ (படம் 2) அல்லது TiO2 மெல்லிய-பட மின்முனையிலோ காணப்படவில்லை. நீர் குறைப்புக்கான மின் வினையூக்கியாக.அதற்குப் பதிலாக, நானோ-SCE இன் மின்வேதியியல் நிலைத்தன்மை ILE-ஐப் போலவே உள்ளது, இதனால் TFSI− இன் ஆக்சிஜனேற்றத்தால் மின்முனை ஆற்றல் > 4.3 V மற்றும் TFSI− மற்றும் BMP+ ஆகியவற்றை <1 V எதிராக Li+/Liக்கு எதிராக குறைக்கிறது. (33)ஒப்பிடுகையில், 5 எடை % (wt %) தண்ணீர் சேர்க்கப்பட்ட ILEக்கு வோல்டாமோகிராம் காட்டப்படுகிறது (சில நானோ-SCE போன்ற உள்ளடக்கம்; அட்டவணை S1 ஐப் பார்க்கவும்).இந்த வழக்கில், லி+/லிக்கு எதிராக 1.5 V இல் உள்ள அனடேஸின் Li-intercalation உச்சத்தைத் தொடர்ந்து நீர் குறைப்புக்கான ஒரு கத்தோடிக் கிளை உடனடியாக அளவிடப்படுகிறது.

நானோ-SCE இன் வெப்ப மற்றும் (எலக்ட்ரோ) இரசாயன நிலைத்தன்மை பெரும்பாலும் ILE நிரப்பினால் தீர்மானிக்கப்படுகிறது.தெர்மோகிராவிமெட்ரிக் பகுப்பாய்வு (TGA) ILE-க்கு-சிலிக்கா விகிதத்தைப் பொருட்படுத்தாமல், SCE மற்றும் ILE இன் வெப்ப நிலைத்தன்மையை 320 ° C வரை காட்டியது (fig. S4).இந்த வெப்பநிலைக்கு மேல், Li-TFSI மற்றும் BMP-TFSI ஆகியவை முற்றிலும் ஆவியாகும் கூறுகளாக சிதைகின்றன, மேலும் சிலிக்கா மேட்ரிக்ஸ் மட்டுமே 450°C அளவில் இருக்கும்.வெப்பச் சிதைவுக்குப் பிறகு எஞ்சியிருக்கும் நிறை சதவீதம் உண்மையில் SCE இல் உள்ள சிலிக்காவின் பகுதியுடன் நன்றாகப் பொருந்துகிறது.

நானோ-எஸ்சிஇ ஸ்கேனிங் எலக்ட்ரான் மைக்ரோஸ்கோபியில் (எஸ்இஎம்) தெளிவான நுண் கட்டமைப்பைக் காட்டவில்லை, சில சிலிக்கா திட்டுகள் வெளியே எட்டிப்பார்க்கும் மென்மையான மேற்பரப்பைத் தவிர (அத்தி. எஸ்5).SCE இன் குறிப்பிட்ட அடர்த்தி ஒரு ஹீலியம் பைக்னோமீட்டரால் தீர்மானிக்கப்பட்டது மற்றும் அனைத்து x மதிப்புகளுக்கும் (அட்டவணை S1) 1.5 g/cm3 ஆக இருந்தது.முழு சிலிக்கா மேட்ரிக்ஸ் ஒரு கரைப்பானில் ILE ஐ கடினமான பிரித்தெடுப்பதன் மூலம் வெளிப்படுத்தப்பட்டது (பொருட்கள் மற்றும் முறைகளைப் பார்க்கவும்).CO2 இன் முக்கியமான புள்ளியில் கவனமாக உலர்த்துவதன் மூலம், படம் 1A இல் காட்டப்பட்டுள்ளதைப் போல அப்படியே ஏர்ஜெல் மோனோலித்களைப் பெறலாம்.SEM ஆய்வு 10-லிருந்து 30-nm துளை விட்டம் கொண்ட மீசோபோரஸ் சிலிக்காவின் சாரக்கட்டை காட்டுகிறது, இது 100 முதல் 150 nm வரை பெரிய மேக்ரோபோர்களை சுற்றி மூடப்பட்டிருக்கும், படம் 1 (B மற்றும் C) இல் காணலாம்.உயர்-தெளிவு பரிமாற்ற எலக்ட்ரான் நுண்ணோக்கி (TEM) (படம். 1D) நெருக்கமாக நிரம்பிய சிலிக்கா நானோ துகள்களால் ஆன ஒரு நுண் கட்டமைப்பை மேலும் வெளிப்படுத்தியது.சராசரி துகள் விட்டம் 0.5 மற்றும் 1.5 க்கு இடையில் x மதிப்புகளுக்கு 7 முதல் 14 nm வரை இருக்கும்.

குறிப்பிட்ட பரப்பளவு [Brunauer-Emmett-Teller (BET)], போரோசிட்டி, சராசரி துளை அளவு மற்றும் துளை அளவு விநியோகம் ஆகியவை N2 உறிஞ்சுதல்/டெஸார்ப்ஷன் அளவீடுகள் மூலம் தீர்மானிக்கப்பட்டது (அட்டவணை S1 மற்றும் fig. S6).கட்டமைப்பின் பகுதி சரிவு மற்றும் உறிஞ்சப்பட்ட ILE முழுமையடையாமல் அகற்றுதல் ஆகியவை எண்களை ஓரளவு தவறாகக் குறிக்கலாம்.அயனி திரவத்தை கவனமாக பிரித்தெடுத்தல் மற்றும் சூப்பர் கிரிட்டிகல் CO2 ஐப் பயன்படுத்தி மெதுவாக உலர்த்துதல், இருப்பினும், ILE இன் தொகுதிப் பகுதியிலிருந்து சிலிக்கா வரை கணக்கிடப்பட்ட எதிர்பார்க்கப்படும் போரோசிட்டிக்கு நெருக்கமான நம்பகமான முடிவுகள் (படம் 1).BET பரப்பளவு 800 முதல் 1000 m2/g வரை இருக்கும்.சமவெப்பத்தின் சரிவிலிருந்து பெறப்பட்ட சராசரி துளை அளவு 7 முதல் 16 nm வரை இருக்கும்.கூடுதலாக, SEM அவதானிப்புகளின்படி, சுமார் 200 nm வரையிலான பெரிய துளைகளின் சிறிய பகுதி அளவிடப்பட்டது (அத்தி. S6).துளை விட்டம் ILE வால்யூம் பின்னம் மற்றும் BET மேற்பரப்புப் பகுதியிலிருந்து பெறப்பட்ட ILE அடுக்கின் இரு மடங்கு தடிமனுடன் நன்றாக ஒத்துப்போகிறது, அதாவது மீசோபோர்கள் முழுமையாக ILE யால் நிரப்பப்பட்டிருக்கும்.

அறிக்கையிடப்பட்ட BET பரப்பளவு மீசோபோர்கள் மற்றும் மேக்ரோபோர்களுக்கு மட்டுமே.அசிட்டோன்-துவைக்கப்பட்ட மேட்ரிக்ஸுக்கு, மைக்ரோபோர்களும் (~ 0.6 nm) அளவிடப்பட்டன.படம் 1D இன் TEM படத்தில் காட்டப்பட்டுள்ளபடி கட்டமைப்பை உருவாக்கும் தனிப்பட்ட சிலிக்கா நானோ துகள்களுக்கு இடையே நுண்துளைகள் காணப்படுகின்றன.650 (x = 0.5) மற்றும் 360 m2/g (x = 1.5) இடையே அதிகபட்ச கூடுதல் பரப்பளவு மதிப்பிடப்பட்டுள்ளது (அட்டவணை S1).

FTIR மற்றும் ராமன் ஸ்பெக்ட்ரா இரண்டும் நுண்துளைகள், மீசோபோர்கள் மற்றும் மேக்ரோபோர்களை கணக்கில் எடுத்துக் கொள்ளும்போது 1400 m2/g க்கும் அதிகமான தீவிர செயல்திறன் கொண்ட மேற்பரப்பு பகுதிகளைக் கொண்ட உயர்-போரோசிட்டி சிலிக்கா மேட்ரிக்ஸில் உறிஞ்சப்பட்ட பனி நீர் மூலக்கூறுகளுடன் கூடிய சிலானால் குழுக்களுக்கு தெளிவான ஆதாரங்களைக் காட்டுகின்றன.பூஜ்ஜியம் மற்றும் மூன்று நீர் மோனோலேயர்களுக்கு இடையில் x <1.75 க்கு நானோ-SCE இல் உள்ள அதிகப்படியான நீரிலிருந்து மதிப்பிடப்படுகிறது.பிளானர் சிலிக்காவைப் பொறுத்தவரை, உறிஞ்சப்பட்ட நீரின் முதல் மூன்று ஒற்றை அடுக்குகள் உண்மையில் அசையாதவை மற்றும் திடமானவையாகக் கருதப்படுகின்றன, ஏனெனில் அவற்றின் வலுவான ஹைட்ரஜன் பிணைப்பு OH-முடிக்கப்பட்ட மேற்பரப்பில் (32) (அத்தி. S2 ஐப் பார்க்கவும்).பனி நீர் அடுக்குடன் பிணைக்கப்பட்ட சிலானால் ஹைட்ரஜனுடன் தொடர்புடைய O─H நீட்சி FTIR நிறமாலையில் 3540 cm−1 இல் காணப்படுகிறது.அனைத்து நானோ-SCE களும், வெற்றிட உலர்த்திய பிறகு மற்றும் கையுறை பெட்டியில் மேலும் உலர்த்திய பிறகு பனி நீருக்கு 3540 cm−1 இல் ஒரு தனித்துவமான உச்சநிலையைக் காட்டுகின்றன (படம் 2).0.0005% RH (கையுறை பெட்டி) இல் சமநிலைப்படுத்தப்பட்ட நானோ-SCE க்கு கூட, ராமன் ஸ்பெக்ட்ரோஸ்கோபி இன்னும் குறைந்தபட்சம் ஒரு பகுதி மோனோலேயர் (படம் 4B) இருப்பதைக் காட்டியது.பிளானர் சிலிக்காவின் நான்காவது மோனோலேயர் ஒரு இடைநிலை அடுக்கு என்று நம்பப்படுகிறது, அதாவது அது இன்னும் உறிஞ்சப்பட்டு கட்டுப்படுத்தப்படுகிறது, ஆனால் சில இயக்கம் இருக்கலாம்.ஐந்தாவது அடுக்கில் இருந்து, நீர் செல்லமாகவும் திரவமாகவும் மாறும்.திரவ நீரில் குறைந்த அளவு H-பிணைப்பு காரணமாக FTIR ஸ்பெக்ட்ரமில் திரவம் போன்ற நீர் அதிக அலை எண்களில் காண்பிக்கப்படும்.60% RH க்கு வெளிப்படும் நானோ-SCE க்கு, 3540-cm−1 உச்சம், கூடுதல் உறிஞ்சப்பட்ட திரவ நீர் அடுக்கு காரணமாக அதிக அலை எண்களுக்கு மாற்றப்பட்ட கூடுதல் அதிர்வுகளைக் காட்டுகிறது.இந்த ஈரப்பதத்தில் (அத்தி. S2) சிலிக்காவில் திரவ நீர் இன்னும் எதிர்பார்க்கப்படாததால், 30% RH க்கு மாதிரியை வெளிப்படுத்திய சோதனை இது சம்பந்தமாக சுவாரஸ்யமானது.இந்த மாதிரியைப் பொறுத்தவரை, FTIR இல் பனி நீரின் 3540 cm−1 உச்சம் மட்டுமே காணப்படுகிறது.கூடுதலாக, 30% RH இல் 4 நாட்களுக்குப் பிறகும் 1635 cm−1 இல் இலவச நீர் உச்சநிலை கண்டறியப்படவில்லை.வெற்றிட சிகிச்சையின் மூலம் நானோ-SCE உலர்த்தப்பட்டவுடன் ஹைட்ரோபோபிக் BMP-TFSI இல் கரைந்த ஹைக்ரோஸ்கோபிக் Li-TFSI மூலம் தண்ணீர் எடுக்கப்படுவதில்லை என்பதே இதன் பொருள்.எனவே, SCE இல் உள்ள எந்தவொரு கூடுதல் நீரும் OH-முடிக்கப்பட்ட சிலிக்கா மேற்பரப்பில் உறிஞ்சப்படும்.எனவே, பிளானர் சிலிக்காவைப் பொறுத்தவரை, SCE சிலிக்கா அணி சுற்றுச்சூழலில் உள்ள நீரின் பகுதியளவு அழுத்தத்துடன் சமநிலையில் உள்ளது.

இந்த கருதுகோளை மேலும் சோதிக்க, நானோ-SCE (x = 1, 1.5 மற்றும் 2) இன் அயனி கடத்துத்திறன் வெவ்வேறு % RH இல் அளவிடப்பட்டது;உறிஞ்சப்பட்ட நீர் கவரேஜ் சமநிலையை அடைய அனுமதிக்க 2 நாட்களுக்கு ஒரு கையுறை பெட்டியில் உலர்ந்த மற்றும் ஈரப்படுத்தப்பட்ட N2 வாயுவின் கட்டுப்படுத்தப்பட்ட கலவையில் மாதிரிகள் வெளிப்படுத்தப்பட்டன (படம். 3D).~0% RH இல் உள்ள புள்ளிகளுக்கு, கையுறை பெட்டியில் சமநிலைப்படுத்தப்பட்ட நானோ-SCE க்கான கடத்துத்திறன் எடுக்கப்பட்டது.வியக்கத்தக்க வகையில், அயன் கடத்துத்திறன் மற்றும் RH(%) சுயவிவரம் பிளானர் சிலிக்காவில் (அத்தி. S2) நீர் உறிஞ்சுதலுக்கான எதிர்பார்க்கப்படும் நடத்தையைப் பின்பற்றியது.0 மற்றும் 30% RH க்கு இடையில், RH அதிகரிப்புடன் கடத்துத்திறன் அதிகரித்தது.உறிஞ்சப்பட்ட பனி அடுக்கு அடர்த்தி மற்றும் தடிமன் அதிகரிக்கும் என எதிர்பார்க்கப்படுகிறது (பிளானர் சிலிக்காவில் ஒன்று முதல் மூன்று பனி அடுக்குகளுடன் தொடர்புடையது).30% RH இல் பல நாட்களுக்கு நானோ-SCE இல் இலவச நீர் இல்லை என்பதை FTIR காட்டுகிறது என்பதை நினைவில் கொள்ளவும்.50% RH இல் ஒரு மாற்றம் காணப்படுகிறது, இது பிளானர் சிலிக்காவிற்கு ஒரு இடைநிலை உறிஞ்சப்பட்ட நீர் அடுக்கு எதிர்பார்க்கப்படும் நிலைமைகளுடன் தொடர்புடையது.இறுதியில், அயனி கடத்துத்திறனில் ஒரு தனித்துவமான படி அதிகரிப்பு 60% மற்றும் அதிக ஈரப்பதத்தை நோக்கி காணப்படுகிறது, அங்கு பிளானர் சிலிக்காவைப் போலவே, இப்போது, சிலிக்காவிற்கும் உட்பொதிக்கப்பட்ட ILE க்கும் இடைமுகத்தில் ஒரு திரவம் போன்ற நீர் அடுக்கு உருவாகலாம்.FTIR உடன், பனி அடுக்கு மீது ஒரு திரவ நீர் அடுக்கு இப்போது silanol/பனி/நீர் அதிர்வு உச்சத்தை அதிக ஆற்றல்களுக்கு மாற்றுவதன் மூலம் கண்டறியப்படுகிறது (படம். 2A).கடத்துத்திறனில் காணப்பட்ட மாற்றம் மீளக்கூடியது;இதனால், நானோ-எஸ்சிஇ ஈரப்பதம் சென்சார் மற்றும் லி-அயன் எலக்ட்ரோலைட்டாக செயல்பட முடியும்.படம் 3D இலிருந்து, வெற்றிட அனீலுக்குப் பிறகு உடனடியாக நானோ-SCE இன் அயனி கடத்துத்திறன் ~10% RH இன் சமநிலை நீரேற்றப்பட்ட சிலிக்காவுடன் ஒத்துள்ளது.உலர்ந்த அறை நிலைகளில் (~0.5% RH) செறிவூட்டலுக்கான அயனி கடத்துத்திறன் சுமார் 0.6 mS/cm (x = 2 க்கு) இருக்கும்.இந்த சோதனையானது அயனி கடத்துத்திறனில் இடைமுக நீரின் விளைவை வெளிப்படையாக நிரூபிக்கிறது.RH > 60% க்கு, அதிக அயனி கடத்துத்திறன் திரவம் போன்ற அடுக்கு வழியாக கரைக்கப்பட்ட Li+ ஐ வேகமாக பரவுவதன் மூலம் விளக்கலாம்.இருப்பினும், ஒரு திடமான பனி அடுக்கு விஷயத்தில், Li+ அயன் பரவல் ஒரு திட-நிலை வகை பரவலாக இருக்கும், இதனால் அயனி திரவத்தை விட மெதுவாக இருக்கும்.அதற்கு பதிலாக, கீழே உள்ள மாதிரியில் முன்மொழியப்பட்டபடி, லி-உப்பு மற்றும் அயனி திரவ மூலக்கூறுகளின் கரிம அயனிகள் மற்றும் கேஷன்களின் மேம்பட்ட உறிஞ்சுதலுக்கு மேம்பாடு காரணம்.

அயனி திரவ மூலக்கூறுகள் சிலிக்கா மேற்பரப்பில் எச்-பாலங்கள் வழியாக சிலானால் குழுக்களில் அசையாத பனி அடுக்குடன் உறிஞ்சப்படும் மாதிரியை நாங்கள் முன்மொழிகிறோம் (படம் 4).நீராற்பகுப்பு ஒடுக்க வினையின் உள்ளார்ந்த தன்மையானது மிக உயர்ந்த சிலானால் அடர்த்தியை வழங்குகிறது (4 × 1014 முதல் 8 × 1014 செ.மீ−2, இது ஒரு செ.மீ.க்கு ~8 × 1014 நீர் மூலக்கூறுகள் கொண்ட ஒரு ஒற்றை அடுக்கு பனிக்கட்டியின் அடர்த்தியுடன் நன்றாக பொருந்துகிறது) (34).TFSI அயனிகளின் O அணுக்களுக்கும் சிலிக்காவிற்கும் இடையிலான மூலக்கூறு இடைவினைகளுக்கான ஆதாரம் FTIR ஆல் வழங்கப்படுகிறது, இது ILE குறிப்புடன் ஒப்பிடும்போது அனைத்து நானோ-SCE க்கும் O═S═O உச்சத்தை இரட்டிப்பாக்குவதைக் காட்டுகிறது (படம். 4A; முழு நிறமாலை படம் S8 இல்).1231 cm−1 இல் இருந்து சுமார் −5 cm−1 உடன் கூடிய கூடுதல் உச்சத்தின் மாற்றம் TFSI அனான்களின் குறைந்தபட்சம் ஒரு பகுதிக்கு O═S═O குழுக்களின் பிணைப்பைக் குறிக்கிறது.எனவே, பனி நீர் அடுக்கில் TFSI அனான்களின் H-பிணைப்பு கருதப்படுகிறது.பின்னர், பெரிய ஹைட்ரோபோபிக் BMP கேஷன்கள் முதல் TFSI லேயருடன் இணைந்து, அயனி திரவ மூலக்கூறுகளின் முதல் உறிஞ்சப்பட்ட அடுக்கை நிறைவு செய்கின்றன.பனி அடுக்கைப் பொறுத்தவரை, உறிஞ்சப்பட்ட BMP-TFSI மூலக்கூறுகள் பெரும்பாலும் அசையாதவையாகக் கருதப்படுகின்றன, இதனால் சிலிக்கா மேற்பரப்பில் திட-போன்ற பனி அடுக்கு விரிவடைகிறது.TFSI அயனியானது சமச்சீர் O═S═O குழுவைக் கொண்டிருப்பதால், ஒரு ஆக்ஸிஜன் அணு ஹைட்ராக்சிலேட்டட் சிலிக்கா மேற்பரப்புடன் தொடர்பு கொள்ளலாம், மற்றொன்று BMP கேஷன்களுக்கான ஒட்டும் புள்ளிகளை உருவாக்குகிறது.TFSI அயனியானது இரண்டு O═S═O குழுக்களையும் கொண்டுள்ளது, இது அயனி மோனோலேயரின் உறுதியான உறிஞ்சுதல் மற்றும் அடர்த்தியான வரிசைப்படுத்துதலை உறுதி செய்கிறது.அதிக அடர்த்தியான OH-குழுக்கள் சாத்தியமான ஒட்டும் புள்ளிகளைக் கொண்ட அடர்த்தியான பனி அடுக்குகளில் உறிஞ்சுதல் மிகவும் திறமையானது.சிலானால் குழுக்களின் முன்னிலையில், உறிஞ்சுதல் ஒரு தொடர்ச்சியான உறிஞ்சும் அடுக்கை உருவாக்கும் அளவுக்கு வலுவாக இருக்காது.கூடுதலாக, ஐஸ் மோனோலேயர்களின் எண்ணிக்கை அதிகரித்து வருவது ஹைட்ரஜன் பிணைப்பின் வலிமையை அதிகரிப்பதாக அறியப்படுகிறது (35).BMP கேஷன் மற்றும் ஆர்டர் செய்யப்பட்ட TFSI மோனோலேயருக்கு இடையிலான மூலக்கூறு இடைவினைகள், TFSI அயனிக்கு சுழற்சி சுதந்திரம் மற்றும் அடிப்படை மேற்பரப்பில் இருந்து துருவமுனைப்பு இல்லாத அயனி திரவத்தில் இருந்து வேறுபட்டதாக இருக்கும் என்பதை நினைவில் கொள்க.பெரிய BMP கேஷனின் சார்ஜ் உண்மையில் பல அணுக்களில் உள்ளார்ந்த பிணைப்புகளின் துருவப்படுத்தல் மற்றும் அதன் வேதியியல் சூழல் மற்றும் குறிப்பாக, உறிஞ்சப்பட்ட TFSI அயனியுடன் மூலக்கூறு தொடர்புகளால் விநியோகிக்கப்படுகிறது.TFSI அயனியின் O-குழுவிற்கும், பனி அடுக்கின் OH-முடிவிற்கும் இடையேயான H-பிணைப்பு இப்போது முதல் உறிஞ்சப்பட்ட அடுக்கின் மீது ஒரு இருமுனையை அறிமுகப்படுத்துகிறது, இது சங்கத்தின் மூலம் மேலும் மூலக்கூறு வரிசைப்படுத்தலைத் தூண்டுகிறது.இந்த கட்டத்தில், சிறிய Li-TFSI மூலக்கூறுகள் மூலக்கூறு அடுக்கில் உறிஞ்சப்படுகின்றன என்று நம்பப்படுகிறது, இதன் மூலம் TFSI அனான் இப்போது மேல் அடுக்கில் உள்ள ஒன்று அல்லது அதற்கு மேற்பட்ட BMP கேஷன்களின் எஞ்சிய நேர்மறை இருமுனை மின்னூட்டத்தை ஈடுசெய்கிறது, எனவே அதன் Li உடன் அதன் தொடர்பைத் தளர்த்துகிறது. அயனி.இந்த வழியில், இலவச Li+ இன் செறிவு இந்த இடைமுகத்தில் அதிகரிக்கப்படுகிறது, இது அதிக அயனி கடத்துத்திறனுக்கு வழிவகுக்கிறது.எனவே, அடர்த்தியான மற்றும் தடிமனான பனி அடுக்குகள் பின்னர் ஈடுசெய்ய அதிக எஞ்சிய மின்னூட்டத்துடன் ஒரு பெரிய இருமுனையை அறிமுகப்படுத்துகின்றன, இது விகிதாச்சாரத்தில் அதிக இலவச Li+ செறிவு மற்றும் அயனி கடத்துத்திறனை அளிக்கிறது.

உறிஞ்சப்பட்ட ILE அடுக்கின் மேல், மற்றொரு ILE அடுக்கு சிலிக்காவில் உள்ள பனி பல அடுக்குகளைப் போலவே உறிஞ்சலாம் அல்லது பனி அடுக்கின் இருமுனை இழுப்பு மிகவும் பலவீனமாக உள்ளது மற்றும் லேசாக பிணைக்கப்பட்ட ILE மேலே உள்ளது, இது திரவம் போன்ற கடத்தலை வழங்குகிறது. கீழ் உறிஞ்சப்பட்ட அடுக்கில் வெளியிடப்படும் Li+ அயனிகள் (படம் 4C).இலவச Li+ அயன் செறிவு மாற்றம் NMR மற்றும் ராமன் ஸ்பெக்ட்ரோஸ்கோபி அளவீடுகள் மூலம் உறுதிப்படுத்தப்பட்டது.ராமன் அளவீடுகள் மறைமுகமாக இலவச Li+ அயனிகளின் ஒரு பெரிய பகுதியானது நானோ-SCE இல் சிலிக்காவுடன் பிணைக்கப்பட்ட அதிக பனி நீர் அடுக்குகளுடன் இருப்பதைக் காட்டுகிறது (படம் 5).TFSI அயனியின் N-குழுவின் அதிர்வை ஆய்வு செய்வதன் மூலம் TFSI உடனான கேஷன் தொடர்பை ராமன் அளவிடுகிறார் (36).தூய BMP-TFSI அயனி திரவத்தில், 741 cm−1 என்ற ஒற்றை உச்சம் மட்டுமே காணப்படுகிறது.தூய ILE ஐப் பொறுத்தவரை, 746 cm−1 இல் கூடுதல் உச்சம் காணப்படுகிறது, இதில் இரண்டு TFSI அனான்கள் ஒரு Li+ அயனியுடன் ஒருங்கிணைக்கின்றன [பொருட்கள் மற்றும் முறைகளில் அடர்த்தி செயல்பாட்டுக் கோட்பாடு (DFT) கணக்கீடுகளைப் பார்க்கவும்].அனைத்து நானோ-SCE களுக்கும், 746 cm−1 இல் உள்ள உச்ச தீவிரம் ILE ஐ விட பலவீனமாக உள்ளது, இது Li-TFSI இன் சிறிய பகுதியையும், அதன் விளைவாக, இணைக்கப்படாத அல்லது இலவச Li+ கேஷன்களின் ஒரு பெரிய பகுதியையும் குறிக்கிறது.மிக உயர்ந்த கடத்துத்திறன் மேம்பாட்டைக் காட்டும் நானோ-SCE க்கு உச்சம் வெகுவாகக் குறைகிறது, அதாவது, அடர்த்தியான பனி அடுக்கு உள்ளவர்களுக்கு.கையுறை பெட்டியில் சமநிலையில் இருக்கும் நானோ-SCE க்கு, இலவச Li+ இன் ஒரு பகுதியானது வெற்றிட-அனீல் செய்யப்பட்ட மாதிரிகளை விட மிகச் சிறியதாக இருந்தாலும் அளவிடப்படுகிறது.746க்கு மேல் 741 செ.மீ−1 ராமன் ஷிஃப்ட்களின் உச்ச தீவிரங்களின் விகிதம், TFSI-தொடர்புடைய லி-அயன்களுக்கு இலவச விகிதத்தின் அளவீடாகும் (படம். 5B).x மதிப்புடன் இலவச Li+ அயன் பின்னத்தின் நேரியல் அதிகரிப்பு, படம் 3B இல் உள்ள x மதிப்புடன் கடத்துத்திறன் மேம்பாட்டின் போக்கை நன்றாகப் பின்பற்றுகிறது, வெற்றிட உலர் நானோ-SCE (நாள் 0) மற்றும் SCE க்ளோவ் பாக்ஸ் வறட்சியுடன் சமநிலையில் (நாள்) 138)

(A) 0.5 (பச்சை), 1.5 (மஞ்சள்) x மதிப்புகளுடன் தயாரிக்கப்பட்ட நானோ-SCE (வெற்றிட உலர்) இன் அயனி திரவத்தின் ராமன் நிறமாலை (IL; புள்ளியிடப்பட்ட நீலக் கோடு) மற்றும் ILE குறிப்பு (ILE; கோடு-புள்ளி வரி) , மற்றும் 2 (பழுப்பு) மற்றும் நானோ-SCE (x = 1.5) கூடுதலாக 30 நாட்களுக்கு கையுறை பெட்டியில் அல்லது 0.0005% RH (சிவப்பு) க்கு அருகில் பூரிதமாக உலர்த்தப்பட்டது.செங்குத்து கோடுகள் TFSI க்கான ராமன் மாற்றத்தை அதன் N மையத்துடன் Li+ (746 cm−1) க்கு ஒருங்கிணைத்து முறையே Li+ (741 cm−1) உடன் ஒருங்கிணைக்கப்படவில்லை.(B) நானோ-SCE இன் ஒருங்கிணைந்த Li+ விகிதத்தில் ஒருங்கிணைக்கப்பட்ட (வெற்றிட உலர்ந்த, கருப்பு வட்டங்கள்) மற்றும் கூடுதலாக 0.0005% RH உடன் கையுறை பெட்டிகளில் 30 நாட்களுக்கு உலர்த்தப்பட்டது (நீல வைரங்கள்), ஒருங்கிணைந்த தீவிரத்தின் விகிதத்துடன் தொடர்புடையது. ராமன் சிகரங்கள் (746 cm−1 மேல் 741 cm−1).(சி) PFG-NMR-பெறப்பட்ட Li+ நானோ-SCE (சிவப்பு வைரங்கள்) மற்றும் ILE ref.(கருப்பு சதுரங்கள்) சாய்வு காந்தப்புல பருப்புகளுக்கு இடையிலான இடைவெளியின் செயல்பாடாக.ராமன் நிறமாலையில் உள்ள கோட்பாட்டு சிகரங்கள் DFT கணக்கீட்டைப் பயன்படுத்தி உருவகப்படுத்தப்பட்டன.

துடிப்பு-புலம் சாய்வு NMR (PFG-NMR) இலிருந்து, வெவ்வேறு மொபைல் லி-அயன் இனங்களின் சுய-பரவல் குணகம், சாய்வு காந்தப்புல பருப்புகளுக்கு இடையே உள்ள இடைவெளியின் செயல்பாடாக ILE திரவக் குறிப்பு மற்றும் ஒரு நானோ-க்கு தீர்மானிக்கப்பட்டது. SCE (x = 1.5) அதே அயனி கடத்துத்திறன் 0.6 mS/cm (படம் 5C).ILE குறிப்பில் Li+ சுய-பரவல் குணகம் நிலையானது, ஒரே மாதிரியான இயக்கம் கொண்ட ஒன்று அல்லது பல Li இனங்கள் மட்டுமே திரவத்தில் இருப்பதைக் குறிக்கிறது.நானோ-SCE க்கு, சுய-பரவல் குணகம் ∆ உடன் மாறுபடுகிறது மற்றும் குறுகிய ∆ இல் ILE ஐ விட அதிகமாக உள்ளது, இது காந்தப்புல துடிப்புகளுக்கு இடையில் குறுகிய இடைவெளியில் மட்டுமே பதிலளிக்கும் வேகமாக நகரும் இனங்கள் இருப்பதைக் குறிக்கிறது.சுய-பரவல் குணகத்தின் சாய்வு, இலவச லி-அயன் செறிவு அதிகரிப்புக்கு அடுத்ததாக, ராமன் ஸ்பெக்ட்ரோஸ்கோபியில் இருந்து ஊகிக்கப்பட்டது, பரவலுக்கான செயல்படுத்தும் ஆற்றல் மீசோபேஸ் இடைமுக அடுக்கிலும் குறைக்கப்படுகிறது.இது மீசோபேஸ் அடுக்கில் உள்ள (மேலும்) இலவச Li+ அயனிகளால் அறிமுகப்படுத்தப்பட்ட கடத்துத்திறன் மேம்பாட்டை ஆதரிக்கிறது.நீண்ட ∆ இல், சுய-பரவல் குணகம் ILE குறிப்பை விட குறைவாக இருந்தது.இது ILE உடன் ஒப்பிடும்போது கையுறை பெட்டி-நிறைவுற்ற நானோ-SCE க்கான மிகக் குறைந்த அயனி கடத்துத்திறனை உறுதிப்படுத்துகிறது.மீசோபோர்களின் மையப்பகுதியில் உள்ள ILE, மூலக்கூறு இயக்கத்தின் கட்டுப்பாட்டின் காரணமாக அதிக பாகுத்தன்மையைக் கொண்டிருக்கும்.எனவே, சிலிக்கா/ஐஸ்/ஐஎல்இ இடைமுகத்தில் மிக வேகமாக பரவும் லி-அயனிகளை உருவாக்குவதன் மூலம் விரிவாக்கம், துளையின் மையத்தில் கடத்துத்திறன் குறைவதை ஈடுகட்ட வேண்டும்.இடைமுகங்கள் போதுமான அயனி கடத்தல் ஊக்குவிப்பு (fig. S1) வழங்காத துகள் அடிப்படையிலான அமைப்புகளில் விரிவாக்கம் இல்லாததை இது விளக்குகிறது.

லித்தியம் உலோகத்திற்கு எதிரான நானோ-எஸ்சிஇயின் மின்வேதியியல் நிலைத்தன்மை மூன்று-எலக்ட்ரோடு அமைப்பைப் பயன்படுத்தி சோதிக்கப்பட்டது (அமைப்பின் திட்டம் படம். S7 இல் காட்டப்பட்டுள்ளது).Li/SCE (x = 1.5) மற்றும் Li/ILE அரை-கலத்தின் தற்போதைய-சாத்தியமான பண்பு படம் 6A இல் காட்டப்பட்டுள்ளது.படம் 2 இல் உள்ள மின் வேதியியல் சாளரத்தைப் பொறுத்தவரை, மின் வேதியியல் ILE நிரப்பு மூலம் வரையறுக்கப்பட்டுள்ளது.மீளக்கூடிய லித்தியம் முலாம் மற்றும் அகற்றுதல் ஆகியவை காணப்படுகின்றன.ஒரு நிலையான திட எலக்ட்ரோலைட் இடைநிலை (SEI) அடுக்கு உலோக லித்தியத்தில் சுமார் 0.9 கிலோ-ஓம்·செ.மீ.2 RSEI உடன் உருவாகிறது, இது கத்தோடிக் மற்றும் அனோடிக் இரு பக்கங்களிலும் iU வளைவில் பெரிய IR வீழ்ச்சிக்கு காரணமாகும்.தூய ILE கரைசல்களில் உள்ள கத்தோடிக் மின்னோட்டம் −2.5 mA/cm2 வரை எந்த ஹிஸ்டெரிசிஸையும் காட்டவில்லை.இருப்பினும், அனோடிக் கரைப்பு 0.06 mA/cm2 என்ற நிலையான-நிலை அனோடிக் மின்னோட்டத்துடன் செயலற்ற உச்சநிலையைக் காட்டியது.திட-திடமான Li/SCE இடைமுகத்தில் உள்ள கத்தோடிக் மின்னோட்டக் கிளையானது −0.5 mA/cm2 க்கும் குறைவான கத்தோடிக் நீரோட்டங்களுக்கு ஹிஸ்டெரிசிஸைக் காட்டவில்லை.எவ்வாறாயினும், SEI இன் எதிர்ப்பு இருமடங்காக இருந்தது.இதேபோல், அனோடிக் உச்சம் குறைவாக இருந்தது மற்றும் அனோடிக் செயலற்ற உச்சநிலைக்குப் பிறகு நிலையான-நிலை மின்னோட்டம் 0.03 mA/cm2 ஆக இருந்தது, இது தூய ILE கரைசலில் பாதி மட்டுமே.SCE இன் துளைகளில் SEI மற்றும் செயலற்ற அடுக்குகளின் உருவாக்கம் லித்தியம் உலோகத்தில் மின்னோட்டத்தை கட்டுப்படுத்துகிறது.Li/ILE மற்றும் Li/SCE மின்முனைகளுக்கான வோல்டாமோகிராம்கள் இரண்டும் பல சுழற்சிகளில் மீண்டும் உருவாக்கப்படுகின்றன, இது அனோடிக் செயலற்ற அடுக்கு மற்றும் இரசாயன SEI அடுக்கு ஆகியவை மீளக்கூடிய மற்றும் நிலையானவை என்பதைக் குறிக்கிறது.லி/எஸ்சிஇ இடைமுகத்தில் உள்ள மெதுவான கரைப்பு இயக்கவியல், கீழே உள்ள லி மெட்டல் அனோட்களால் செய்யப்பட்ட அரை-செல்களின் செயல்திறனைக் கடுமையாகக் கட்டுப்படுத்துகிறது.

(A) நானோ-SCE (x = 1.5, வெற்றிட உலர்த்தலுக்குப் பிறகு ஒருங்கிணைக்கப்பட்டது) (சிவப்பு) மற்றும் ILE குறிப்பு (கருப்பு) ஆகியவற்றின் சுழற்சி வோல்டாமோகிராம் மூன்று-எலக்ட்ரோடு கட்டமைப்பில் Li உடன் வேலை, எதிர் மற்றும் குறிப்பு மின்முனைகளாக அளவிடப்படுகிறது (SEI எதிர்ப்பு மதிப்பிடப்பட்டது கத்தோடிக் மின்னோட்டத்தில் ஐஆர் வீழ்ச்சி முறையே ILE மற்றும் SCE க்கு 0.9 மற்றும் 1.8 கிலோ-ஓம் · செ.மீ.)(B) Li/SCE (x = 1)/100-nm மெல்லிய-படம் LiMn2O4 கலத்தின் கால்வனிக் சார்ஜ்/டிஸ்சார்ஜ் வளைவுகள் 1C, 5C, மற்றும் 20C ஆகிய ஐந்து சுழற்சிகளுக்கு.(C) Li/SCE/40-μm Li4Ti5O12 மற்றும் Li/SCE/30-μm LiFePO4 தூள் மின்முனைக் கலங்களின் (1 mV/s) சுழற்சி வோல்டாமோகிராம்கள்.(D) 1C, 0.1C, 0.2C மற்றும் 0.02C இல் Li/SCE/40-μm Li4Ti5O12 தூள் மின்முனையின் கால்வனிக் சார்ஜ்/டிஸ்சார்ஜ் வளைவுகள்.(E) 1C, 0.5C, 0.2C, 0.1C, 0.05C மற்றும் 0.01C இல் Li/SCE/30-μm LiFePO4 தூள் மின்முனையின் கால்வனிக் சார்ஜ்/டிஸ்சார்ஜ் வளைவுகள்.(F) Li/SCE/30-μm LiFePO4 தூள் மின்முனையின் சுழற்சி எண்ணுக்கு எதிராக கொள்திறன் (டெலிதியேஷனுக்கான நிரப்பப்பட்ட வைரங்கள் மற்றும் லித்தியேஷன் திறந்த சதுரங்கள்);செல்களில் SCE இன் தடிமன் சுமார் 280 μm ஆகும்.LFP மற்றும் LTO கேத்தோடின் அடர்த்தி முறையே 1.9 மற்றும் 11.0 mg/cm2 ஆகும்.(ஜி) 0.1, 0.2, 0.5, மற்றும் 0.1 mA/cm2 தற்போதைய அடர்த்தியில் சுழற்சி செய்யப்பட்ட Li/SCE/Li அடுக்கின் சாத்தியமான மற்றும் நேர வளைவுகள்.(H) Li/SCE/Li அடுக்கின் 1வது, 10வது, 125வது மற்றும் கடைசி துருவமுனைப்பு (G) இல் காட்டப்பட்டுள்ள 0.1 mA/cm2 இல் வலியுறுத்தப்பட்டது.(G) மற்றும் (H), SCE கடத்துத்திறன் 0. 34 mS/cm, மற்றும் SCE துகள்களின் தடிமன் 0.152 செ.மீ.

ஒரு 100-nm LiMn2O4 (LMO) மெல்லிய-படமானது நானோ-SCE மற்றும் எலக்ட்ரோடு பொருள் இரண்டின் நிலைத்தன்மையையும் சோதிக்க மாதிரி நேர்மறை மின்முனையாகப் பயன்படுத்தப்பட்டது, அதே நேரத்தில் துகள் கலப்பு மின்முனைகளில் சாத்தியமான இடைமுக சிக்கல்களை நீக்குகிறது (37).மெல்லிய-பட மின்முனை/SCE அடுக்கின் சைக்கிள் ஓட்டுதல் செயல்திறன் மின்முனைக்கும் எலக்ட்ரோலைட்டுக்கும் இடையே உள்ள இடைமுகத்தின் நிலைத்தன்மையை நிரூபிக்கிறது.இந்த மாதிரி மெல்லிய-பட அமைப்பில், எலக்ட்ரோலைட் மற்றும் எலக்ட்ரோடு இடையே ஒரே ஒரு ஒற்றை, நன்கு வரையறுக்கப்பட்ட மற்றும் பிளானர் இடைமுக தொடர்பு மட்டுமே உள்ளது, அதாவது, எலக்ட்ரோலைட்/எலக்ட்ரோடு இடைமுகத்தின் மின் வேதியியல் பற்றி ஆய்வு செய்ய இது ஒரு சிறந்த தளமாகும். , முதலியன. மேலும் இந்தச் சோதனையில், லித்தியம் பாதி-க்கான நிலையான-நிலை அனோடிக் மின்னோட்ட பீடபூமிக்குக் கீழே தற்போதைய அடர்த்தி (1Cக்கு 6 μA/cm2) இருப்பதால், விகித செயல்திறன் Li-foil counter மின்முனையால் வரையறுக்கப்படவில்லை. செல் (0.03 mA/cm2).20க்கும் மேற்பட்ட சுழற்சிகளுக்கு 1 முதல் 20C வரையிலான சி-விகிதங்களுக்கு 4.3 V இல் வெட்டு மின்னழுத்தத்திற்கு மறுஉருவாக்கம் செய்யக்கூடிய மற்றும் நிலையான சார்ஜ்/டிஸ்சார்ஜ் வளைவுகள் பெறப்படுகின்றன (படம். 6B).LiB க்கான திரவ எலக்ட்ரோலைட்டில் LMO நிலையற்றது.எடுத்துக்காட்டாக, LiClO4/propylene கார்பனேட் எலக்ட்ரோலைட்டில் 1C (37) இல் 10 சுழற்சிகளுக்கு 100-nm LMO ஃபிலிம் சார்ஜ்-டிஸ்சார்ஜ் செய்யப்பட்டதில் 50% திறன் குறைப்பு காணப்பட்டது.வழக்கமான திரவ எலக்ட்ரோலைட்டை விட நானோ-எஸ்சிஇ எல்எம்ஓ உடன் மிகவும் இணக்கமானது என்பதை எங்கள் முடிவுகள் காட்டுகின்றன.

நானோ-SCE இன் ஒருங்கிணைப்பை நிரூபிக்க, நாங்கள் Li4Ti5O12 (LTO) மற்றும் LiFePO4 (LFP) தூள் மின்முனைகளுடன் அரை-கலங்களையும் உருவாக்கினோம்.நுண்ணிய மின்முனைகளை செறிவூட்டுவதற்காக முன்னோடி கரைசல் நாணயக் கலத்தில் விடப்பட்டது மற்றும் நானோ-SCE துகள்களைப் போலவே அவை உலர்த்தப்பட்டு வெற்றிட-அனீல் செய்யப்படுவதற்கு முன்பு மேலும் ஜெலேஷன் செய்ய விடப்பட்டது.செல்கள் தொடர்புடைய மின்முனைகளின் சிறப்பியல்பு லித்தியேஷன்/டெலிதியேஷனைக் காட்டுகின்றன (படம். 6C).LTO ஐ விட LFPக்கான குறைந்த உச்ச மின்னோட்டங்கள் பூச்சு தடிமன் உள்ள வேறுபாட்டின் காரணமாகும்.சார்ஜ்/டிஸ்சார்ஜ் அளவீடுகளின் போது விகித செயல்திறன் இப்போது 30-லிருந்து 40-μm-தடிமனான மின்முனை பூச்சுகள் (படம். 6, D மற்றும் E) மீது உருவாக்கப்பட்ட நானோ-SCE லேயரில் அழுத்தப்பட்ட லி-ஃபாயில் கவுண்டர் மின்முனையால் வரையறுக்கப்பட்டுள்ளது.LTO/nano-SCE/Li செல் அதன் அதிகபட்ச திறன் 160 mA·hour/g என்ற குறைந்த C-ரேட் 0.02C இல் மட்டுமே அடைந்தது (படம். 6D).0.1C ஐ விட பெரிய C-விகிதங்களுக்கு 10% க்கும் குறைவான C- வீதத்துடன் அணுகக்கூடிய திறன் வேகமாக குறைகிறது.இதேபோல், LFP/SCE/Li செல் அதன் அதிகபட்ச திறன் சுமார் 140 mA·hour/g ஐ 0.01C இல் எட்டியது (படம். 6E).படம் 6F மொத்தம் 30 சுழற்சிகளுக்கான வீத செயல்திறனைக் காட்டுகிறது, இது நிலையான செல் உள்ளமைவைக் காட்டுகிறது.இந்த சோதனைகள் லி-அயன் எலக்ட்ரோலைட்டாக நானோ-எஸ்சிஇயின் செயல்பாடு மற்றும் லி-அயன் கலங்களில் ஒருங்கிணைப்பதற்கான சாத்தியக்கூறுகளை நிரூபிக்கின்றன.

நானோ-எஸ்சிஇயின் நிலைத்தன்மை அல்லது சுழற்சித்திறன் Li/SCE/Li சமச்சீர் அடுக்கைப் பயன்படுத்தி சோதிக்கப்பட்டது.இது 0.1 mA/cm2 தற்போதைய அடர்த்தியில் 0.5 மணிநேரம் (படம் 6G) எந்த பிரச்சனையும் அல்லது டென்ட்ரைட் உருவாக்கமும் இல்லாமல் 120 சுழற்சிகளுக்கு மேல் சுழற்சி செய்யப்பட்டது (படம். 6H).துருவமுனைப்பு மின்னழுத்தம் காலப்போக்கில் சிறியதாக மாறியது, இது தொடர்பின் முன்னேற்றத்தைக் குறிக்கிறது.மேலும், லித்தியம் டென்ட்ரைட்டுகள் அல்லது நானோ-SCE அல்லது இடைமுகம் (படம் 6G) சிதைவதற்கான அறிகுறிகள் எதுவும் இல்லாமல், செல் தற்போதைய அடர்த்தி 0.5 mA/cm2 வரை வலியுறுத்தப்பட்டது.உலோக லித்தியம் BMP-TFSI-அடிப்படையிலான ILE களில் (27) அதன் மேற்பரப்பில் ஒரு பாதுகாப்பு இடைநிலை அடுக்கு அல்லது SEI ஐ உருவாக்குவதாக அறியப்படுகிறது.இந்த எதிர்வினை லித்தியம்/நானோ-SCE இடைமுகத்திலும் நிகழ்கிறது;படம் 6A இன் கீழ் விவாதிக்கப்பட்டபடி, SEI துளைகளுக்குள் ஓரளவு வளரக்கூடும், இது ILE ஐ விட நானோ-SCE க்கு அதிக SEI எதிர்ப்பை விளக்குகிறது (மேலே பார்க்கவும்).ஒரு SEI அடுக்குக்கான ஆதாரம் IR ஸ்பெக்ட்ராவிலிருந்து (fig. S9) பெறப்பட்டது.கிளாசிக்கல் LiB இல் உள்ள SEI பூச்சு போன்றது, இது திரவ எலக்ட்ரோலைட்டிலிருந்து கிராஃபைட் மின்முனையைத் திரையிடுகிறது, மேலும் எதிர்வினையைத் தவிர்க்கிறது, இங்குள்ள SEI ஐஸ் நீர் அடுக்கை உலோக லித்தியம் அனோடில் இருந்து மேலும் எதிர்வினையிலிருந்து பாதுகாக்கிறது என்று நாங்கள் நம்புகிறோம்.10 மணிநேரத்திற்கு Li/nano-SCE (x = 1.5) துருவமுனைப்புக்கு முன்னும் பின்னும் மின்மறுப்பு நிறமாலை மொத்த எலக்ட்ரோலைட் எதிர்ப்பில் எந்த மாற்றத்தையும் காட்டவில்லை.லித்தியம் உலோகத்தால் நானோ-SCE மெதுவாக உலர்த்தப்படுவதைத் தவிர்க்க நீண்ட சைக்கிள் ஓட்டுதல் செயல்திறன் அளவீடுகள் தேவைப்படும், ஆனால் இந்த முடிவுகள் ஏற்கனவே லித்தியம் உலோக அடிப்படையிலான திட-நிலை பேட்டரிகளில் SCE இன் சிறந்த சுழற்சிக்கான திறனைக் காட்டுகின்றன.ஆயினும்கூட, செயற்கை இடைநிலை பூச்சுகள் இடைமுக மின்மறுப்பை முழுவதுமாக மேம்படுத்த கருதலாம்.

சிலிக்கா இடைமுகங்களில் அயனி கடத்தல் ஊக்குவிப்பு OH-முடிக்கப்பட்ட சிலிக்கா பரப்புகளில் ஒரு வேதியியல் நீர் அடுக்கை அறிமுகப்படுத்துவதன் மூலம் அடைய முடியும் என்பதைக் காட்டியுள்ளோம்.சமச்சீர் O═S═O குழுவுடன் ஹைட்ரஜன் பிணைப்பு மூலம் இந்த நீர் செயல்பாட்டு அடுக்கில் TFSI அனான்கள் வேதியியல்.நீர் மேற்பரப்பு அடுக்கு அசையாதது, எனவே உறிஞ்சப்பட்ட TFSI அடுக்கையும் மேற்பரப்பில் பொருத்துகிறது.பெரிய BMP கேஷன்கள் TFSI மோனோலேயருடன் தொடர்புடையவை, இதனால் மேற்பரப்பில் TFSI-BMP இன் மூலக்கூறு வரிசைப்படுத்தலை அறிமுகப்படுத்துகிறது.நீர்வாழ் சூழலில் மெதுவான ஜெலேஷன் மற்றும் மெதுவாக உலர்த்துதல் ஆகியவை செயல்பாட்டு நீர் அடுக்கு மற்றும் அதன் மேல் உள்ள கரிம அயனிகளின் ஒழுங்கமைக்கப்பட்ட அடுக்கு ஆகியவற்றின் ஒருங்கிணைந்த உருவாக்கத்திற்கு உதவுகின்றன என்று நாங்கள் நம்புகிறோம்.முதல் TFSI அயனி அடுக்கு ஹைட்ராக்சிலேட்டட் சிலிக்காவுடன் அதன் எதிர்மறை மின்னூட்டத்தின் ஒரு பகுதியைப் பகிர்ந்து கொள்வதால், மேலே உள்ள BMP கேஷன் லேயர் மற்றொரு TFSI அயனியுடன் தொடர்பைத் தேடும், இதன் மூலம் பல BMP தங்கள் ஈடுசெய்யப்படாத கட்டணத்தை ஒரு TFSI உடன் பகிர்ந்து கொள்ளலாம் (மறைமுகமாக மூன்று முதல் ஒன்று வரை ILE இல் IL மற்றும் Li-TFSI விகிதம்).Li-TFSI உப்பு மூலக்கூறுகள் நெருங்கிய அணுகுமுறையைக் கொண்டிருப்பதால், Li+ அயனிகள் பிரிந்து, இந்த இடைமுக அடுக்கில் வேகமாகப் பரவுவதற்கு அமைக்கப்படும்.மேம்படுத்தப்பட்ட கடத்தலுக்கு, இந்த இலவச Li+ இனங்கள் செல்ல குறைந்தபட்சம் ஒரு கூடுதல் அயனி திரவ அடுக்கு தேவை.இந்த காரணத்திற்காக, குறைந்த x மதிப்பு 0.5 கொண்ட நானோ-SCE ஆனது மேம்படுத்தப்பட்ட கடத்துத்திறனைக் காட்டவில்லை, ஏனெனில் ILE தொகுதி/சிலிக்கா மேற்பரப்பு ஒரு மூடிய ஒற்றை அடுக்குக்கு மட்டுமே போதுமானது.

திடமான மேற்பரப்பு நீர் அல்லது பனி அடுக்கு மின் வேதியியல் ரீதியாக செயல்படவில்லை என்பது மேலும் காட்டப்பட்டது.இந்த கட்டத்தில், எலக்ட்ரோடு மேற்பரப்புடன் நேரடி தொடர்பு கொண்ட பனி நீர் வினைபுரியவில்லை என்பதை நாம் விலக்க முடியாது.எவ்வாறாயினும், மேற்பரப்பு நீரின் வெளிப்புற பரவல் மெதுவாக இருப்பதையும், இதனால் கண்டறிவதற்கு இயக்கவியல் புறக்கணிக்கத்தக்கதாக இருப்பதையும் நாங்கள் காண்பித்தோம்.தண்ணீர் மாசுபடுதல், அது சிறியதாக இருந்தாலும், எப்போதும் கவலைக்குரியதாக இருக்கும் என்பதை நாங்கள் உணர்கிறோம், மேலும் நீண்ட வாழ்க்கை சுழற்சி சோதனைகள் மட்டுமே தண்ணீர் போதுமான அளவு பிணைக்கப்பட்டுள்ளதா என்பதற்கு ஒரு திட்டவட்டமான பதிலை வழங்க முடியும்.இருப்பினும், ஒரே மாதிரியான அல்லது பெரிய மேற்பரப்பு ஊக்கத்தை அளிக்கும் பிற செயல்பாட்டு மேற்பரப்பு அடுக்குகள் இப்போது உருவாக்கப்படலாம்.இது சம்பந்தமாக, லி குழு ஏற்கனவே கிளைசிடிலாக்ஸிப்ரோபில் லேயரின் திறனை ஒரு செயல்பாட்டுக் குழுவாகக் காட்டியுள்ளது (18).பனி நீர் சிலிக்காவை பூர்வீகமாகக் கொண்டது, எனவே இங்கு வெற்றிகரமாக நிரூபிக்கப்பட்டபடி, அயனி கடத்தல் ஊக்குவிப்பில் மேற்பரப்பு செயல்பாட்டின் விளைவை முறையாக ஆய்வு செய்ய மிகவும் பொருத்தமானது.கூடுதலாக, மீசோபேஸ் அடுக்கு மற்றும் அதன் இருமுனையானது ஆக்சைடு மற்றும் உறிஞ்சப்பட்ட கரிம மூலக்கூறுகளைச் சார்ந்து இருக்கும், இதனால் இரண்டும் டியூன் செய்யப்படலாம்.ஆய்வகத்தில், வெவ்வேறு அயனி திரவங்களுக்கான அயனி கடத்தல் ஊக்குவிப்பதில் ஏற்கனவே பெரிய வேறுபாடுகளைக் காட்டியுள்ளோம்.மேலும், காட்டப்பட்டுள்ள கொள்கையானது அயனி கடத்துகையை நோக்கிய பொதுவானது, எனவே சோடியம், மெக்னீசியம், கால்சியம் அல்லது அலுமினியம் அயன் பேட்டரிகளுக்குப் பொருத்தமான பல்வேறு அயனி அமைப்புகளுக்கும் பயன்படுத்தலாம்.முடிவில், இங்கே காட்டப்பட்டுள்ள இடைமுகக் கடத்தலுடன் கூடிய நானோகாம்போசிட் எலக்ட்ரோலைட் என்பது ஒற்றைப் பொருளைக் காட்டிலும் ஒரு கருத்தாகும், இது அயன் கடத்தல், போக்குவரத்து எண், மின்வேதியியல் சாளரம், பாதுகாப்பு மற்றும் எதிர்கால பேட்டரி செல் தலைமுறைகளுக்கான செலவு ஆகியவற்றின் விரும்பிய பண்புகளுக்கு மேலும் (நானோ) வடிவமைக்கப்படலாம். .

நானோ-எஸ்சிஇ ஒரு சோல்-ஜெல் முறையைப் பயன்படுத்தி தயாரிக்கப்பட்டது.லித்தியம் பிஸ்(ட்ரைஃப்ளூரோமெதில்சல்போனைல்)இமைடு லி-டிஎஃப்எஸ்ஐ;சிக்மா-ஆல்ட்ரிச்;99.95%), 0.5 மில்லி டீயோனைஸ்டு H2O, 0.5 மில்லி TEOS (சிக்மா-ஆல்ட்ரிச்; 99.0%), 1-பியூட்டில்-1-மெத்தில்பைரோலிடினியம் பிஸ்(ட்ரைஃப்ளூரோமெதில்சல்போனைல்) இமைடு (BMP-TFSI; சிக்மா-ஆல்ட்ரிச்), மற்றும் 9815%; ஒரு கண்ணாடி குப்பியில் பிஜிஎம்இ மில்லி கலக்கப்பட்டது.மோலார் விகிதம், x, [BMP][TFSI] மற்றும் TEOS இடையே கலவையில் 0.25 மற்றும் 2 இடையே மாறுபடுகிறது. Li[TFSI] மற்றும் [BMP][TFSI] ஆகியவற்றின் மோலார் விகிதம் 0.33:1 ஆக நிர்ணயிக்கப்பட்டது.இந்த விகிதங்களிலிருந்து Li[TFSI] மற்றும் [BMP][TFSI] அளவுகள் தீர்மானிக்கப்பட்டது.எடுத்துக்காட்டாக, x = 1 ஆக இருக்கும்போது, கரைசலில் சேர்க்கப்பட்ட [BMP][TFSI] மற்றும் Li[TFSI] முறையே 0.97 மற்றும் 0.22 கிராம்.மோனோபாசிக் தீர்வுகளை உருவாக்க கலவைகள் 1 நிமிடம் அசைக்கப்படுகின்றன.இந்தக் கரைசல்கள் பின்னர் கிளறாமல் மூடிய குப்பிகளில், வெப்பநிலை மற்றும் ஈரப்பதம்-கட்டுப்பாட்டு அறையில் (SH-641, ESPEC Corp.) வெப்பநிலை மற்றும் RH% முறையே 25 ° C மற்றும் 50% இல் அமைக்கப்பட்ட ஜெல்களை உருவாக்குகின்றன.x ஐப் பொறுத்து, கலவைகள் தெளிவான ஜெல்லை உருவாக்க சராசரியாக 5 முதல் 9 நாட்கள் ஆகும்.ஜெலேஷன் செய்யப்பட்ட பிறகு, 2.4-லிருந்து 7.4-மிலி ஜெல் கொண்ட குப்பிகள் முதலில் 40 டிகிரி செல்சியஸ் வெப்பநிலையில் சிறிது குறைக்கப்பட்ட அழுத்தத்தில் (80 kPa) நான்கு நாட்கள் உலர்த்தப்பட்டு, பின்னர் 25 ° C வெப்பநிலையில் 72 மணி நேரம் வெற்றிட அடுப்பில் மாற்றப்பட்டன.மீதமுள்ள ஈரப்பதம் அகற்றப்பட்டதால், வெற்றிடமானது 50 Pa சுற்றி ஆரம்ப அழுத்தத்திலிருந்து 1 நாளுக்குப் பிறகு 5 Pa இன் இறுதி நிலையான அழுத்தத்திற்கு படிப்படியாகக் குறைந்தது.அதிக அளவு நீர் மற்றும் PGME அகற்றப்பட வேண்டியிருந்ததால், இதன் விளைவாக SCE துகள்கள் அசல் ஜெல் அளவின் 20% (x = 0.5) இலிருந்து ~50% (x = 2) ஆகக் குறைந்துவிட்டன.இதன் விளைவாக வரும் ஜெல்களின் எடை செமிமிக்ரோ பேலன்ஸ் (SM 1245Di-C, VWR) மூலம் அளவிடப்பட்டது.

நைட்ரஜனின் கீழ் Q5000 IR (TA இன்ஸ்ட்ரூமென்ட்ஸ், நியூ கேஸில், DE, USA) இல் TGA செய்யப்பட்டது.அளவீட்டின் போது, மாதிரிகள் 2 ° C/min என்ற வெப்ப விகிதத்தில் 700 ° C க்கு சூடேற்றப்பட்டன.4000 முதல் 400 செமீ−1 வரையிலான அலை எண்ணில் ப்ரூக்கர் வெர்டெக்ஸ் 70 ஐப் பயன்படுத்தி எஃப்டிஐஆர் ஸ்பெக்ட்ரோமெட்ரி செய்யப்பட்டது.மைக்ரோமெரிடிக்ஸ் அக்யூபைக் II 1340 ஐப் பயன்படுத்தி பைக்னோமெட்ரி செய்யப்பட்டது.

அயனி கடத்துத்திறனை அளவிட, ஆர்-நிரப்பப்பட்ட கையுறை பெட்டியில் (0.1-ppm H2O மற்றும் 0.1-ppm O2) தாய் குப்பியிலிருந்து SCE இன் சிறிய அளவு எடுக்கப்பட்டது.4.34-மிமீ உள் விட்டம் மற்றும் 1.57-மிமீ உயரம் கொண்ட பாலிடெட்ராபுளோரோஎத்திலீன் (PTFE) வளையத்தில் சுமார் 23 μl SCE நிரப்பப்பட்டு, ஒரு துகள்களை உருவாக்குகிறது.இரண்டு துருப்பிடிக்காத எஃகு (SS) வட்டுகளுக்கு இடையில் (0.2 மிமீ தடிமன்; MTI) வளையத்தில் உள்ள துகள்கள் இணைக்கப்பட்டன.மின்மறுப்பு அளவீடுகள் PGSTAT302 (Metrohm) ஐப் பயன்படுத்தி 1 MHz முதல் 1 Hz வரையிலான அதிர்வெண் வரம்பில் 5 mV AC அலைவீச்சுடன் செய்யப்பட்டது.அயனி கடத்துத்திறன் (σi) நிக்விஸ்ட் அடுக்குகளில் உள்ள உண்மையான அச்சுடன் உயர் அதிர்வெண் இடைமறிப்பிலிருந்து தீர்மானிக்கப்பட்டது.கடத்துத்திறன் அளவீட்டிற்குப் பிறகு, கையுறை பெட்டியில் நானோ-எஸ்சிஇ பெல்லட் மேலும் உலர அனுமதிக்கப்பட்டது.வெப்பநிலை சார்பு அளவீட்டிற்கு, SS/SCE/SS அடுக்குகள் நாணயக் கலத்தில் சீல் செய்யப்பட்டன.சீல் செய்த பிறகு, கடத்துத்திறன் பல நாட்களுக்கு மாறாமல் இருந்தது (அத்தி S3 ஐப் பார்க்கவும்).நாணயக் கலத்தின் வெப்பநிலையானது H2O/எத்திலீன் கிளைகோலை வேலை செய்யும் ஊடகமாகப் பயன்படுத்தி வெப்பக் குளியுடனான தெர்மல் ஜாக்கெட் மூலம் கட்டுப்படுத்தப்படுகிறது.செல்கள் முதலில் சுமார் −15°Cக்கு குளிரூட்டப்பட்டு, பின்னர் படிப்படியாக 60°Cக்கு வெப்பப்படுத்தப்பட்டன.

ஒவ்வொரு நானோ-SCE துகள்களிலிருந்தும், சுமார் 23 μl ஒரு வளையத்திற்குள் (4.34-மிமீ உள் விட்டம் மற்றும் 1.57-மிமீ உயரம்) மின் அளவீடுகளுக்காக நேரடியாக ஒரு N2-நிரப்பப்பட்ட கையுறை பெட்டியில் கட்டுப்படுத்தப்பட்ட ஈரப்பதத்துடன் கொண்டு வரப்பட்டது.SCE உடனான மோதிரம் இரண்டு SS வட்டுகளுக்கு இடையில் (0.2 மிமீ தடிமன்; MTI) இணைக்கப்பட்டது.PGSTAT302 (Metrohm) ஐப் பயன்படுத்தி மின்மறுப்பு அளவீடுகள் 5 mV மற்றும் 1 MHz முதல் 1 Hz வரையிலான அதிர்வெண் கொண்ட AC வீச்சு நோவா மென்பொருள் மூலம் கட்டுப்படுத்தப்பட்டன.கடத்துத்திறன் உறுதிப்படுத்தப்படும் வரை கண்காணிக்கப்படுவதற்கு முன் மாதிரிகள் ஒவ்வொரு RH% மதிப்பிலும் 48 மணிநேரங்களுக்கு வைக்கப்பட்டன.கொடுக்கப்பட்ட RH% மதிப்புக்கான (σi) நிலைப்படுத்தப்பட்ட அயனி கடத்துத்திறன், நைக்விஸ்ட் ப்ளாட்களில் உள்ள உண்மையான அச்சுடன் கூடிய உயர் அதிர்வெண் இடைமறிப்பிலிருந்து தீர்மானிக்கப்பட்டது.

Li[BMP][TFSI] ILE உடன் மற்றும் இல்லாத பெல்லட்டின் உருவவியல் SEM மூலம் 1.5 முதல் 2.0 kV வரை தெர்மோ ஃபிஷர் சயின்டிஃபிக் அப்ரியோ கருவியைப் பயன்படுத்தி சரிபார்க்கப்பட்டது, இதன் மூலம் T1 மற்றும் T2 டிடெக்டரை இணையாகப் பயன்படுத்தி இரட்டை-கண்டறிதல் இமேஜிங் பயன்முறையில் செயல்படுகிறது. லைவ்-இமேஜ் சரிசெய்தல் மற்றும் T2 டிடெக்டர் காட்டப்பட்ட SEM படங்களைப் பதிவு செய்யப் பயன்படுத்தப்பட்டது;மாதிரி கார்பன் கடத்தும் நாடாவில் சரி செய்யப்பட்டது.TEM 300 kV இல் இயங்கும் Tecnai ஐப் பயன்படுத்தி செய்யப்பட்டது.

SCE பெல்லட்டிலிருந்து ILE இரண்டு வெவ்வேறு வழிகளில் அகற்றப்பட்டது.நுண்துளை சிலிக்காவைப் பெறுவதற்கான ஒரு விருப்பம், Li[BMP][TFSI] ILE ஐப் பிரித்தெடுக்க 12 மணிநேரங்களுக்கு அசிட்டோனில் SCE ஐ மூழ்கடிப்பதன் மூலம் செய்யப்பட்டது.இந்த கழுவுதல் மூன்று முறை மீண்டும் மீண்டும் செய்யப்பட்டது.மற்ற விருப்பம் எத்தனாலில் SCE ஐ ஊறவைப்பதாகும்.இந்த வழக்கில், திரவ CO2 முக்கிய புள்ளி உலர்த்தியைப் பயன்படுத்தி எத்தனால் அகற்றப்பட்டது.

சூப்பர் கிரிட்டிகல் உலர்த்தலுக்கு இரண்டு வெவ்வேறு கருவிகள் பயன்படுத்தப்பட்டன, அதாவது ஆட்டோமேகாசம்ட்ரி-916B, டூசிமிஸ் (முறை 1) மற்றும் JASCO கார்ப்பரேஷன் மூலம் தனிப்பயனாக்கப்பட்ட கருவி (முறை 2).முதல் கருவியைப் பயன்படுத்தும் போது, உலர்த்தும் வரிசையானது வெப்பநிலையில் 8 டிகிரி செல்சியஸ் வரை குறைந்து தொடங்கியது.பின்னர், CO2 அறை வழியாக சுத்தப்படுத்தப்பட்டது, அழுத்தம் 5.5 MPa ஆக அதிகரித்தது.பின்வரும் படிநிலையில், CO2 41°C க்கு வெப்பப்படுத்தப்பட்டு, அழுத்தத்தை 10 MPa ஆக அதிகரித்து, 5 நிமிடங்களுக்கு அப்படியே வைத்திருந்தது.முடிவுக்கு, இரத்தப்போக்கு கட்டத்தில், அழுத்தம் 10 நிமிட இடைவெளியில் குறைக்கப்பட்டது.தனிப்பயன் கட்டமைக்கப்பட்ட கருவியைப் பயன்படுத்தும் போது, இதே போன்ற வரிசை பின்பற்றப்பட்டது.இருப்பினும், நேரம் மற்றும் அழுத்தங்கள் கணிசமாக வேறுபடுகின்றன.சுத்திகரிப்பு நடவடிக்கைக்குப் பிறகு, அழுத்தம் 70 டிகிரி செல்சியஸ் வெப்பநிலையில் 12 MPa ஆக அதிகரிக்கப்பட்டு 5 முதல் 6 மணி நேரம் வரை அப்படியே இருந்தது.பின்னர், அழுத்தம் முறையே 10, 60 மற்றும் 10 நிமிட இடைவெளியில் 12 முதல் 7 MPa, 7 முதல் 3 MPa மற்றும் 3 முதல் 0 MPa வரை குறைக்கப்பட்டது.

மைக்ரோமெரிடிக்ஸ் 3ஃப்ளெக்ஸ் மேற்பரப்பு குணாதிசய பகுப்பாய்வியைப் பயன்படுத்தி நைட்ரஜன் பிசிசார்ப்ஷன் ஐசோதெர்ம்கள் T = 77 K இல் அளவிடப்பட்டன.பெறப்பட்ட நுண்துளை சிலிக்கா பின்னர் 0.1-ம்பார் வெற்றிடத்தின் கீழ் 100 டிகிரி செல்சியஸ் வெப்பநிலையில் 8 மணி நேரம் வெளியேற்றப்பட்டது.சூப்பர் கிரிட்டிகல் உலர்த்தலில் இருந்து பெறப்பட்ட நுண்துளை சிலிக்கா 0.1-ம்பார் வெற்றிடத்தின் கீழ் 120 டிகிரி செல்சியஸ் வெப்பநிலையில் 18 மணி நேரம் வெளியேற்றப்பட்டது.பின்னர், மைக்ரோமெரிடிக்ஸ் ட்ரைஸ்டார் 3000 தானியங்கி வாயு உறிஞ்சுதல் பகுப்பாய்வியைப் பயன்படுத்தி நைட்ரஜன் பிசிசார்ப்ஷன் ஐசோதெர்ம்கள் T = 77 K இல் அளவிடப்பட்டன.

JEOL JNM-ECX400 ஐப் பயன்படுத்தி PFG-NMR அளவீடுகள் செய்யப்பட்டன.தூண்டப்பட்ட எதிரொலி துடிப்பு வரிசை பரவல் அளவீடுகளுக்கு பயன்படுத்தப்பட்டது.இயல்பாக்கப்பட்ட எதிரொலி சமிக்ஞை குறைப்பு, E, சமன்பாட்டில் (38)E=exp(−γ2g2δ2D(Δ−δ/3))(1)இங்கு g என்பது சாய்வுத் துடிப்பின் வலிமை, δ என்பது சாய்வின் கால அளவு. துடிப்பு, ∆ என்பது சாய்வு பருப்புகளின் முன்னணி விளிம்புகளுக்கு இடையிலான இடைவெளி, γ என்பது காந்தவியல் விகிதம் மற்றும் D என்பது மூலக்கூறுகளின் சுய-பரவல் குணகம்.Eq உடன் ∆ ஐ மாற்றுவதன் மூலம் பெறப்பட்ட எதிரொலி சமிக்ஞைகளைப் பொருத்துவதன் மூலம் சுய-பரவல் குணகங்கள் மதிப்பிடப்பட்டன.1. லித்தியம் அயனியின் பரவல் குணகத்தை தீர்மானிக்க 7Li தேர்ந்தெடுக்கப்பட்டது.அனைத்து அளவீடுகளும் 30 ° C இல் செய்யப்பட்டன.

ராமன் ஸ்பெக்ட்ரோஸ்கோபி அமைப்பு என்பது ஆர்கான் அயனியைப் பயன்படுத்தி ஒரு 458-என்எம் லேசர் தூண்டுதல் ஒளியுடன் இணைக்கப்பட்ட ஒரு தலைகீழ் ஒலிம்பஸ் IX71 நுண்ணோக்கியுடன் இணைக்கப்பட்ட ஒரு வீட்டில் தயாரிக்கப்பட்ட அமைப்பாகும். ), இது ஒரு திரவ நைட்ரஜன்-குளிரூட்டப்பட்ட சார்ஜ்-இணைந்த சாதனக் கேமராவைப் பயன்படுத்தி கண்டறியப்படும் ஆப்டிகல் சிக்னல்களை சிதறடிக்கப் பயன்படுத்தப்பட்டது.இந்த அலைநீளங்களில் அதிக ஒளியியல் உறிஞ்சுதலைக் கருத்தில் கொண்டு, லேசர் வெப்பத்தைத் தவிர்க்க ஒப்பீட்டளவில் குறைந்த லேசர் சக்திகள் பயன்படுத்தப்பட்டன (<100 W·cm−2).

DFT கிரவுண்ட்-ஸ்டேட் வடிவியல் தேர்வுமுறை மற்றும் பகுப்பாய்வு அதிர்வெண் கணக்கீடுகள் பிரபலமான B3LYP ஹைப்ரிட் செயல்பாட்டு மற்றும் 6-311++G** அடிப்படைத் தொகுப்பைப் பயன்படுத்தியது, கிரிம்மின் அணு-ஜோன்சன் டிஸ்பெர்ஷன் கரெக்ஷன் (39) உடன் பெக்கே-ஜான்சன் டேம்பிங் திட்டத்துடன் (D3BJ) ORCA 3.0.3 (40) இல் செயல்படுத்தப்பட்டது.ராமன் ஸ்பெக்ட்ரா ORCA ஐப் பயன்படுத்தி உருவகப்படுத்தப்பட்டது, மேலும் ORCA-ஆதரவு மேம்படுத்தலுடன் Avogadro மென்பொருள் தொகுப்பைப் (41) பயன்படுத்தி மூலக்கூறு பண்புகளின் காட்சிப்படுத்தல் அடையப்பட்டது.

அனைத்து மின்வேதியியல் அளவீடுகள் மற்றும் தொடர்புடைய மாதிரி தயாரிப்பு ஆகியவை மின்வேதியியல் பண்புகளுக்காக அர்ப்பணிக்கப்பட்ட ஆர்கான் நிரப்பப்பட்ட கையுறை பெட்டியில் (PureLab, PL-HE-4GB-1800; <1-ppm O2 மற்றும் H2O நிலைகள்) செய்யப்பட்டன.எஸ்சிஇ பெல்லட் ஒரு லி ரிப்பனில் வைக்கப்பட்டது (சிக்மா-ஆல்ட்ரிச்; 99.9%) ஒரு செப்புத் தகட்டில் எதிர் மின்முனையாக ஆதரிக்கப்பட்டது மற்றும் இரண்டு குத்திய லி டிஸ்க்குகள் (5-மிமீ விட்டம்) குறிப்பு மற்றும் வேலைக்காக SCE பெல்லட்டின் மேல் வைக்கப்பட்டன. மின்முனைகள்.அமைப்பு படம் காட்டப்பட்டுள்ளது.S7.லித்தியம் குறிப்பு மற்றும் வேலை செய்யும் மின்முனைகளைத் தொடர்புகொள்வதற்கு தங்க ஊசிகள் பயன்படுத்தப்பட்டன.நோவா மென்பொருள் மூலம் கட்டுப்படுத்தப்படும் PGSTAT302 (Metrohm) ஐப் பயன்படுத்தி சுழற்சி மின்னழுத்தம் மற்றும் மின்மறுப்பு அளவீடுகள் செய்யப்பட்டன.20 mV/s ஸ்கேன் வீதத்துடன் சுழற்சி மின்னழுத்தம் செய்யப்பட்டது.மின்மறுப்பு அளவீடுகள் 5 mV இன் AC அலைவீச்சு மற்றும் 1 MHz முதல் 0.1 Hz வரையிலான அதிர்வெண் மூலம் செய்யப்பட்டன.

40-nm அனாடேஸ் TiO2 மெல்லிய-பட மின்முனையானது 300-மிமீ சிலிக்கான் செதில் மீது அணு அடுக்கு படிவு (ALD) மூலம் டெபாசிட் செய்யப்பட்டது, மேலும் ALD ஆல் டெபாசிட் செய்யப்பட்ட 40-nm TiN அண்டர்லேயர்.இது எலக்ட்ரோலைட்டுகள் மூலம் லி-அயன் கடத்துத்திறனை நிரூபிக்க ஒரு சிறந்த சோதனை மின்முனையாகும், ஏனெனில் சைக்கிள் ஓட்டும் போது TiO2 இரசாயன சிதைவு அல்லது இயந்திர அழுத்தத்தால் பாதிக்கப்படுவதில்லை (குறிப்பிடத்தக்க அளவு மாற்றம் இல்லை).Li/SCE/TiO2 கலத்தை அளவிட, ILE-SCEகள் 4.3 மிமீ விட்டம் மற்றும் 0.15 செமீ தடிமன் கொண்ட PTFE வளையத்தில் நிரப்பப்பட்டன;பின்னர், மோதிரம் ஒரு லி படலத்திற்கும் TiO2 படத்திற்கும் இடையில் இணைக்கப்பட்டது.

நானோ-எஸ்சிஇ/தின்-ஃபிலிம் எலக்ட்ரோடு அரை அடுக்குகள், எல்எம்ஓ மின்முனையுடன், நானோ-எஸ்சிஇ ஃபிலிமை மின்முனைகளில் ஒருங்கிணைத்து புனையப்பட்டது.மொத்தம் 150 μl x = 1.5 கரைசல், 2 நாட்களுக்கு வயது, எலக்ட்ரோலைட் படங்களில் பொருத்தப்பட்ட கண்ணாடி வளையத்தில் (விட்டம், 1.3 மிமீ) துளி-வார்ப்பு செய்யப்பட்டது.மோதிரம் பின்னர் பாராஃபில்ம் மூலம் சீல் வைக்கப்பட்டது, மேலும் தீர்வு 4 நாட்களுக்கு ஜெல் செய்ய அத்தகைய சீல் செய்யப்பட்ட கொள்கலனில் வைக்கப்பட்டது.உருவாக்கப்பட்ட ஜெல்/எலக்ட்ரோடு அடுக்கு நானோ-SCE/எலக்ட்ரோடு அடுக்குகளை உருவாக்க உலர்த்தப்பட்டது.மைக்ரோமீட்டரைப் பயன்படுத்தி தீர்மானிக்கப்பட்ட நானோ-எஸ்சிஇயின் தடிமன் 300 மைக்ரான் ஆகும்.கடைசியாக, ஒரு லித்தியம் படலம் (1.75 மிமீ தடிமன், 99.9%; சிக்மா-ஆல்ட்ரிச்) நானோ-எஸ்சிஇ/எலக்ட்ரோடு அடுக்கில் அனோடாக அழுத்தப்பட்டது.100-nm LiMn2O4 (LMO) மெல்லிய-பட மின்முனையானது 80-nm Pt (DC sputtering)/10-nm TiN (ALD) அண்டர்லேயர்களுடன் பூசப்பட்ட சிலிக்கான் செதில் Ar ஓட்டத்தின் கீழ் ரேடியோ அலைவரிசை ஸ்பட்டரிங் மூலம் டெபாசிட் செய்யப்பட்டது.இந்த அடுக்கு ஆக்ஸிஜன் வளிமண்டலத்தில் 800 டிகிரி செல்சியஸ் வெப்பநிலையில் 20 நிமிடங்களுக்கு இணைக்கப்பட்டது.

LiFePO4 (LFP) எலக்ட்ரோடு படங்கள் பிளேடு பூச்சு மூலம் தயாரிக்கப்பட்டன.முதலில், கார்பன் பிளாக் மற்றும் எல்எஃப்பி (2 முதல் 3 மைக்ரான்) ஆகியவை கார்பாக்சிமெதில்செல்லுலோஸ் (சிஎம்சி) கொண்ட அக்வஸ் கரைசலில் சேர்க்கப்பட்டு, பின்னர் ஒரு கிரக கலவையைப் பயன்படுத்தி ஒரே மாதிரியாக மாற்றப்பட்டது.பின்னர், ஒரே மாதிரியான தயாரிப்பு டீயோனைஸ் செய்யப்பட்ட நீர் மற்றும் ஒரு வெற்றிட கலவையில் ஒரு ஃபுளோரினேட்டட் அக்ரிலிக் லேடெக்ஸ் (JSR, TRD202A) ஆகியவற்றுடன் கலந்து எலெக்ட்ரோட் பூச்சுக்கு ஒரு குழம்பு உருவாக்கப்படுகிறது.பிளேடு கோட்டரைப் பயன்படுத்தி எலக்ட்ரோடு பிலிம்களை டெபாசிட் செய்வதற்காக தயாரிக்கப்பட்ட குழம்பு அலுமினியத் தாளில் போடப்பட்டது.இந்த பூசப்பட்ட ஈரமான மின்முனைகள் உடனடியாக வளிமண்டல அடுப்பில் 70 டிகிரி செல்சியஸ் வெப்பநிலையில் 10 நிமிடங்களுக்கு தேங்கி நிற்கின்றன, மேலும் 140 டிகிரி செல்சியஸ் வெப்பநிலையில் வெற்றிட அடுப்பில் 4 மணி நேரம் உலர்த்தப்பட்டன.உலர்ந்த எலக்ட்ரோடு படங்கள் 91 wt % LiFePO4, 3 wt % கார்பன் கருப்பு, 2 wt % CMC மற்றும் 4 wt % TRD202A ஆகியவற்றைக் கொண்டிருந்தன.படத்தின் தடிமன் 30 μm (மைக்ரோமீட்டர் மற்றும் ஸ்கேனிங் எலக்ட்ரான் நுண்ணோக்கியைப் பயன்படுத்தி தீர்மானிக்கப்படுகிறது).

Li4Ti5O12 (LTO) மின்முனைத் திரைப்படங்கள் அதே வழியில் செப்புத் தகடுகளில் செய்யப்பட்டன.உலர்ந்த மின்முனைகளின் கலவை 85 wt % Li4Ti5O12, 5 wt % கார்பன் கருப்பு, 5 wt % CMC, மற்றும் 5 wt % ஃபுளோரினேட்டட் அக்ரிலிக் லேடெக்ஸ் (TRD2001A) ஆகும்.படத்தின் தடிமன் 40 μm.

SCE இன் தீர்வு துகள் அடிப்படையிலான LFP மற்றும் LTO மின்முனைத் திரைப்படத்தில் கைவிடப்பட்டது.முதலாவதாக, 100 μl x = 1.5 கரைசல், 2 நாட்களுக்கு வயது, 15 மிமீ விட்டம் கொண்ட ஒரு எலக்ட்ரோடு ஃபிலிம் மீது துளி-வார்ப்பு செய்யப்பட்டது, ஒரு நாணயக் கலத்தில் (#2032, MTI) வைக்கப்பட்டது.செறிவூட்டப்பட்ட SCE ஜெல் செய்யப்பட்ட பிறகு, நானோ-SCE மற்றும் எலக்ட்ரோட் அடுக்கை உருவாக்க, ஒரு வெற்றிட அடுப்பில் (<5 × 10−2 mbar) 25 ° C வெப்பநிலையில் 72 மணிநேரம் உலர்த்தப்பட்டது.நானோ-SCE தடிமன் 380 μm.கடைசியாக, ஒரு லித்தியம் படலம் SCE/எலக்ட்ரோடு அடுக்குகளில் அனோடாக அழுத்தப்பட்டு, காயின் செல் சீல் செய்யப்பட்டது.அறை வெப்பநிலையில் Solartron 1470E பொட்டென்டோஸ்டாட்டைப் பயன்படுத்தி மின்வேதியியல் அளவீடுகள் செய்யப்பட்டன.

இந்தக் கட்டுரைக்கான துணைப் பொருள் http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/2/eaav3400/DC1 இல் கிடைக்கிறது

அட்டவணை S1.அயனி திரவத்தின் மோலார் பகுதியை சிலிக்காவிற்கு (x மதிப்பு) அதிகரிப்பதற்கான நானோ-SCE இல் உள்ள சிலிக்கா மேட்ரிக்ஸின் கட்டமைப்பு பண்புகள் N2 உறிஞ்சுதல்/டெஸார்ப்ஷன் அல்லது BET அளவீடுகள் மற்றும் TEM அவதானிப்புகளிலிருந்து தீர்மானிக்கப்படுகிறது.

இது கிரியேட்டிவ் காமன்ஸ் அட்ரிபியூஷன்-வணிகமற்ற உரிமத்தின் விதிமுறைகளின் கீழ் விநியோகிக்கப்படும் திறந்த அணுகல் கட்டுரையாகும், இது எந்தவொரு ஊடகத்திலும் பயன்படுத்த, விநியோகம் மற்றும் இனப்பெருக்கம் செய்ய அனுமதிக்கிறது, இதன் விளைவாகப் பயன்படுத்துவது வணிக ரீதியாக அல்ல, அசல் வேலை சரியாக இருந்தால் போதும். மேற்கோள் காட்டப்பட்டது.

குறிப்பு: உங்கள் மின்னஞ்சல் முகவரியை மட்டுமே நாங்கள் கோருகிறோம், இதனால் நீங்கள் பக்கத்தைப் பரிந்துரைக்கும் நபர் நீங்கள் அதைப் பார்க்க விரும்புகிறீர்கள் என்பதையும், அது குப்பை அஞ்சல் அல்ல என்பதையும் அவர் அறிந்து கொள்ள வேண்டும்.நாங்கள் எந்த மின்னஞ்சல் முகவரியையும் கைப்பற்றவில்லை.

இந்தக் கேள்வி நீங்கள் மனிதப் பார்வையாளரா இல்லையா என்பதைச் சோதிப்பதற்காகவும், தானியங்கு ஸ்பேம் சமர்ப்பிப்புகளைத் தடுப்பதற்காகவும்.

Xubin Chen, Brecht Put, Akihiko Sagara, Knut Gandrud, Mitsuhiro Murata, Julian A. Steele, Hiroki Yabe, Thomas Hantschel, Maarten Roeffaers, Morio Tomiyama, Hidekazu Arase, Yukihiro Kaneko, Mikinari Shimada, P Mackhilipen Meesda.

© 2020 அறிவியல் முன்னேற்றத்திற்கான அமெரிக்க சங்கம்.அனைத்து உரிமைகளும் பாதுகாக்கப்பட்டவை.AAAS ஆனது HINARI, AGORA, OARE, CHORUS, CLOCKSS, CrossRef மற்றும் COUNTER ஆகியவற்றின் பங்குதாரர். அறிவியல் முன்னேற்றங்கள் ISSN 2375-2548.

இடுகை நேரம்: ஜூலை-15-2020