आयन जेल: Difference between revisions

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आयन जेल (या आयनोगेल) एक मिश्रित सामग्री है जिसमें एक अकार्बनिक या एक बहुलक आव्यूह द्वारा स्थिर आयनिक तरल होता है। [1][2][3] भौतिक में ठोस अवस्था में रहते हुए उच्च आयनिक चालकता (ठोस अवस्था) बनाए रखने का गुण होता है। आयन जेल बनाने के लिए, ठोस आव्यूह को आयनिक तरल के साथ मिश्रित या संश्लेषित किया जाता है। एक सामान्य अभ्यास एक खंडक सहबहुलक का उपयोग करना है जो एक आयनिक तरल के साथ समाधान में बहुलकित किया जाता है ताकि एक स्वयंजोड़ित नैनोस्ट्रक्चर उत्पन्न हो जहां आयन वरणक्षमतापूर्वक रूप से घुलनशील हों। आयन जैल गैर-सहबहुलक बहुलक जैसे कोशिकारस, ऑक्साइड जैसे सिलिकॉन डाइऑक्साइड या आग रोक सामग्री जैसे बोरॉन नाइट्राइड का उपयोग करके भी बनाया जा सकता है।

आयन जैल के प्रकार

समग्र में आव्यूह के प्रमुख घटक के आधार पर आयन जैल को दो व्यापक वर्गों में विभाजित किया जा सकता है: बहुलक और अकार्बनिक। [1] आव्यूह के रासायनिक वर्ग के आधार पर इन व्यापक वर्गों को और उप-विभाजित किया जा सकता है। ठेठ आयन जेल अनुप्रयोगों में, यह वांछित है कि आव्यूह घटक एक उपकरण के भीतर संपर्कों को अलग करने के लिए विद्युत रूप से क्रमभंग करते हैं और अकेले आयनिक चालकता की आपूर्ति करते हैं। किसी सामग्री के आव्यूह चयन में आयनिक चालकता के साथ-साथ अंतिम समग्र सामग्री के यांत्रिक गुणों पर असर पड़ता है।

अकार्बनिक वर्ग:[1]

  • गैर-धातु ऑक्साइड (जैसे SiO2)
  • कार्यात्मक गैर-धातु ऑक्साइड
  • धातु ऑक्साइड
  • आयनिक तरल बंधे हुए नैनोकण
  • धातु-जैविक ढांचा
  • उच्चतापसह सामग्री (जैसे बोरान नाइट्राइड)

बहुलक कक्षाएं:[3]

हालांकि आयन जैल के ये उपप्रकार इस व्यापक वर्ग में कई सामग्रियों को वर्गीकृत कर सकते हैं, फिर भी अभी भी संकर सामग्री हैं जो इन वर्गीकरणों से बाहर हैं। अंतिम सम्मिश्र में लचीलापन और शक्ति दोनों प्रदान करने के लिए बहुलक और अकार्बनिक सामग्री दोनों के साथ आयन जैल के उदाहरण प्रदर्शित किए गए हैं। [4]


अनुप्रयोग

कई विद्युत उपकरण प्रणालियों में आयन जैल का उपयोग किया गया है जैसे संधारित्र में परावैद्युतिकी के रूप में, [5] क्षेत्र प्रभाव प्रतिरोधान्तरित्र के लिए विसंवाहक के रूप में,[6] और लिथियम आयन बैटरी के लिए विद्युत् अपघट्य के रूप में है। [1] आयन जैल का ठोस अवस्था और फिर भी लचीला रूप आधुनिक मोबाइल उपकरणों जैसे कि बनाने योग्य चित्रपट, स्वास्थ्य निगरानी प्रणाली और ठोस अवस्था बैटरी के लिए आकर्षक है। [7] विशेष रूप से ठोस अवस्था बैटरी अनुप्रयोगों के लिए, आयन जैल की उच्च श्यानता धनाग्र और कैथोड के बीच विद्युत् अपघट्य और विभाजक दोनों के रूप में काम करने के लिए पर्याप्त शक्ति प्रदान करती है। [1] इसके अतिरिक्त, बैटरी अनुप्रयोगों में आयन जैल की मांग की जाती है क्योंकि तनाव के अंतर्गत जेल का श्यानप्रत्यास्थ प्रवाह अन्य ठोस राज्य विद्युत् अपघट्य की तुलना में उच्च गुणवत्ता वाले विद्युतद्वार/विद्युत् अपघट्य संपर्क बनाता है। [8]


ऊष्मीय स्थिरता

क्षरण के प्रारम्भ से पहले आयन जैल को 300 घात सेल्सियस से ऊपर बनाए रखने में सक्षम होने के लिए जाना जाता है। [9] उच्च तापमान क्षमता सामान्यतः अंतर्निहित आयनिक तरल द्वारा सीमित होती है, जिसमें ऊष्मीय स्थिरता की एक विस्तृत श्रृंखला हो सकती है, लेकिन सामान्यतः कम से कम 250 घात सेल्सियस तक स्थिर होती है। [10] 175 घात सेल्सियस तक प्रयोगशाला मापक्रम पर लिथियम आयन बैटरी कोशिकाओं को संचालित करने के लिए इस उच्च तापमान स्थिरता का शोषण किया गया है, जो वर्तमान वाणिज्यिक विद्युत् अपघट्य की क्षमताओं से कहीं अधिक है। [11]


यांत्रिक गुण

आयन जैल की विविधता को देखते हुए, सामग्री के इस व्यापक वर्ग के यांत्रिक गुणों की एक विस्तृत श्रृंखला है। प्रायः यांत्रिक गुणों को वांछित अनुप्रयोग के अनुरूप बनाया जाता है। जिन अनुप्रयोगों के लिए उच्च लचीलेपन की आवश्यकता होती है, वे तिर्यक बद्ध बहुलक जैसे अत्यधिक लोचदार आव्यूह सामग्री को लक्षित करते हैं। [7][9] इस प्रकार की प्रत्यास्थलक सामग्री पूर्ण पुनर्प्राप्ति के साथ उच्च स्तर की लोच (भौतिकी) तनाव प्रदान करती है, जो पहनने योग्य उपकरणों में वांछनीय है जो अपने जीवनकाल में कई तनाव चक्रों से पारित होंगे। इसके अतिरिक्त, इस प्रकार की सामग्री विफलता पर 135% तनाव तक प्राप्त कर सकती है जो तन्यता की घात दर्शाती है। [12] जिन अनुप्रयोगों के लिए उच्च शक्ति वाले आयन जेल की आवश्यकता होती है, वे प्रायः समग्र शक्ति उत्पन्न करने के लिए एक दुर्दम्य आव्यूह का उपयोग करेंगे। यह लिथियम-आयन बैटरी अनुप्रयोगों में विशेष रूप से वांछनीय है, जो सेल में लिथियम पार्श्वतन्तु (स्फटिक) के विकास को रोकना चाहते हैं जिसके परिणामस्वरूप आंतरिक लघुपथन हो सकता है। उच्च मापांक, शक्तिशाली, ठोस विद्युत् अपघट्य और लिथियम डेन्ड्राइट वृद्धि में कमी के बीच लिथियम-आयन बैटरी में एक संबंध स्थापित किया गया है। [13] इस प्रकार, एक शक्तिशाली आयन जेल समग्र कम आंतरिक लघुपथन विफलताओं के माध्यम से लिथियम-आयन बैटरी की लंबी उम्र में सुधार कर सकता है।

आयन जेल के प्रवाह के लोचदार प्रतिरोध को प्रायः गतिशील यांत्रिक विश्लेषण के माध्यम से मापा जाता है। यह विधि भंडारण मापांक के साथ-साथ हानि मापांक को प्रकट करती है, जो जेल के तनाव-तनाव प्रतिक्रिया को परिभाषित करती है। सभी आयन जैल अर्ध-ठोस से ठोस अवस्था में हैं जो दर्शाता है कि भंडारण मापांक हानि मापांक से अधिक है (यानी लोचदार व्यवहार तरल जैसे व्यवहार को नष्ट करने वाली ऊर्जा पर प्रबल होता है)। [14] भंडारण मापांक की भयावहता और हानि मापांक के अनुपात में समग्र सामग्री की ताकत और क्रूरता तय होती है। [9] आयन जैल के लिए भंडारण मापांक मान विशिष्ट बहुलक-आधारित आव्यूह के लिए लगभग 1.0 kPa से अपवर्तक-आधारित आव्यूह के लिए लगभग 1.0 एमपीए तक भिन्न हो सकते हैं। [15] [11]

समग्र आव्यूह की संरचना अंतिम थोक यांत्रिक गुणों के परिणाम में एक बड़ी भूमिका निभा सकती है। यह अकार्बनिक आधारित आव्यूह सामग्री के लिए विशेष रूप से सत्य है। कई प्रयोगशाला-मापक्रम उदाहरणों ने एक सामान्य प्रवृत्ति का प्रदर्शन किया है कि छोटे आव्यूह कण आकार भंडारण मापांक में परिमाण वृद्धि के क्रम में परिणाम कर सकते हैं। [11][13] यह आव्यूह कणों के उच्च सतह क्षेत्र के आयतन अनुपात और कण और स्थिर आयनिक तरल के बीच नैनोस्केल परस्पर क्रिया की उच्च सांद्रता के लिए उत्तर्दायी ठहराया गया है। [11] आयन जेल समग्र में घटकों के बीच परस्पर क्रिया बल जितना अधिक होता है, प्लास्टिक विरूपण और समग्र कठोर सामग्री के लिए आवश्यक उच्च बल होता है।

आयन जेल प्रतिरूप में स्वतंत्रता की एक और घात अंतिम सम्मिश्र में आव्यूह से आयनिक तरल के अनुपात में निहित है। जैसे-जैसे आव्यूह में आयनिक तरल की सांद्रता बढ़ती है, वैसे-वैसे गतिशील मापांक में कमी के अनुरूप सामग्री अधिक तरल-जैसी हो जाएगी। [16] इसके विपरीत, एकाग्रता में कमी आम तौर पर सामग्री को शक्तिशाली करेगी और आव्यूह सामग्री के आधार पर अधिक प्रत्यास्थलकी या भंगुर तनाव-तनाव प्रतिक्रिया उत्पन्न कर सकती है। [17] आयनिक तरल में कम सांद्रता में सामान्य व्यापार विशिष्ट अनुप्रयोग के लिए आवश्यक समग्र समग्र अनुकूलन बनाने की आयनिक चालकता में बाद में कमी है। [16]


संदर्भ

  1. ↑ 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 Chen, Nan; Zhang, Haiqin; Li, Li; Chen, Renjie; Guo, Shaojun (April 2018). "Ionogel Electrolytes for High-Performance Lithium Batteries: A Review". Advanced Energy Materials (in English). 8 (12): 1702675. doi:10.1002/aenm.201702675. S2CID 102749351.
  2. ↑ Tripathi, Alok Kumar (2021). "Ionic liquid–based solid electrolytes (ionogels) for application in rechargeable lithium battery". Materials Today Energy (in English). 20: 100643. doi:10.1016/j.mtener.2021.100643. S2CID 233581904.
  3. ↑ 3.0 3.1 Osada, Irene; de Vries, Henrik; Scrosati, Bruno; Passerini, Stefano (2016). "बैटरी अनुप्रयोगों के लिए आयनिक-तरल-आधारित पॉलिमर इलेक्ट्रोलाइट्स". Angewandte Chemie International Edition (in English). 55 (2): 500–513. doi:10.1002/anie.201504971. ISSN 1521-3773. PMID 26783056.
  4. ↑ Guyomard-Lack, Aurélie; Abusleme, Julio; Soudan, Patrick; Lestriez, Bernard; Guyomard, Dominique; Bideau, Jean Le (June 2014). "ट्यून करने योग्य गुणों के साथ हाइब्रिड सिलिका-पॉलिमर आयनोजेल सॉलिड इलेक्ट्रोलाइट". Advanced Energy Materials (in English). 4 (8): 1301570. doi:10.1002/aenm.201301570. S2CID 94800401.
  5. ↑ Yong, Hansol; Park, Habin; Jung, Cheolsoo (2020-01-31). "एसिटोनाइट्राइल-आधारित सुपरकैपेसिटर के व्यापक तापमान रेंज अनुप्रयोग के लिए क्वैसी-सॉलिड-स्टेट जेल पॉलीमर इलेक्ट्रोलाइट". Journal of Power Sources (in English). 447: 227390. doi:10.1016/j.jpowsour.2019.227390. ISSN 0378-7753. S2CID 209710082.
  6. ↑ Lodge, T. P. (2008-07-04). "MATERIALS SCIENCE: A Unique Platform for Materials Design". Science (in English). 321 (5885): 50–51. doi:10.1126/science.1159652. ISSN 0036-8075. PMID 18599764. S2CID 206513712.
  7. ↑ 7.0 7.1 Palchoudhury, Soubantika; Ramasamy, Karthik; Gupta, Ram K.; Gupta, Arunava (2019). "Flexible Supercapacitors: A Materials Perspective". Frontiers in Materials (in English). 5. doi:10.3389/fmats.2018.00083. ISSN 2296-8016.
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  9. ↑ 9.0 9.1 9.2 Zhao, Kang; Song, Hongzan; Duan, Xiaoli; Wang, Zihao; Liu, Jiahang; Ba, Xinwu (March 2019). "उच्च प्रदर्शन लिथियम-आयन बैटरियों के लिए सुपीरियर आयनिक कंडक्टिविटी के साथ एक्रिलेट टर्मिनेटेड हाइपरब्रांच्ड पॉलिमर पर आधारित नोवेल केमिकल क्रॉस-लिंक्ड आयनोजेल". Polymers (in English). 11 (3): 444. doi:10.3390/polym11030444. PMC 6473542. PMID 30960428.
  10. ↑ Lewandowski, Andrzej; Świderska-Mocek, Agnieszka (December 2009). "Ionic liquids as electrolytes for Li-ion batteries—An overview of electrochemical studies". Journal of Power Sources (in English). 194 (2): 601–609. doi:10.1016/j.jpowsour.2009.06.089.
  11. ↑ 11.0 11.1 11.2 11.3 Hyun, Woo Jin; de Moraes, Ana C. M.; Lim, Jin-Myoung; Downing, Julia R.; Park, Kyu-Young; Tan, Mark Tian Zhi; Hersam, Mark C. (2019-08-27). "सॉलिड-स्टेट रिचार्जेबल लिथियम-आयन बैटरियों के लिए हाई-मॉड्यूलस हेक्सागोनल बोरॉन नाइट्राइड नैनोप्लेटलेट जेल इलेक्ट्रोलाइट्स". ACS Nano (in English). 13 (8): 9664–9672. doi:10.1021/acsnano.9b04989. ISSN 1936-0851. PMID 31318524. S2CID 197665200.
  12. ↑ Guo, Panlong; Su, Anyu; Wei, Yingjin; Liu, Xiaokong; Li, Yang; Guo, Feifan; Li, Jian; Hu, Zhenyuan; Sun, Junqi (2019-05-29). "लिथियम-आयन बैटरियों के लिए चंगा करने योग्य, अत्यधिक प्रवाहकीय, लचीला और गैर-ज्वलनशील सुपरमॉलेक्यूलर आयनोजेल इलेक्ट्रोलाइट्स". ACS Applied Materials & Interfaces (in English). 11 (21): 19413–19420. doi:10.1021/acsami.9b02182. ISSN 1944-8244. PMID 31058482. S2CID 145822146.
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