RU2075799C1 - Композиционная смесь для приготовления пленочного твердого полимерного электролита - Google Patents

Композиционная смесь для приготовления пленочного твердого полимерного электролита Download PDF

Info

Publication number
RU2075799C1
RU2075799C1 RU93003709A RU93003709A RU2075799C1 RU 2075799 C1 RU2075799 C1 RU 2075799C1 RU 93003709 A RU93003709 A RU 93003709A RU 93003709 A RU93003709 A RU 93003709A RU 2075799 C1 RU2075799 C1 RU 2075799C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
film
salt
cellulose acetate
acetone
ion
Prior art date
Application number
RU93003709A
Other languages
English (en)
Other versions
RU93003709A (ru
Inventor
С.С. Попова
Г.П. Денисова
Н.М. Ярцева
Т.И. Крупина
Н.И. Макарова
Original Assignee
Технологический институт Саратовского государственного технического университета
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Технологический институт Саратовского государственного технического университета filed Critical Технологический институт Саратовского государственного технического университета
Priority to RU93003709A priority Critical patent/RU2075799C1/ru
Publication of RU93003709A publication Critical patent/RU93003709A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2075799C1 publication Critical patent/RU2075799C1/ru

Links

Images

Classifications

    • Y02E60/12

Landscapes

  • Manufacture Of Macromolecular Shaped Articles (AREA)
  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)

Abstract

Использование: производство химических источников тока, электрохимических датчиков и преобразователей энергии и информации. Сущность изобретения: композиционная смесь для приготовления пленочного твердого электролита содержит (мас.%): ацетат целлюлозы в качестве полимера - 9,80 - 9,90, ионопроводящую органическую соль замещенного тиапирилия - 0,34 - 1,34 и ацетон в качестве органического растворителя. Предлагаемая композиционная смесь позволяет получить пленочный полимерный электролит с повышенной проводимостью. 4 табл.

Description

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в производстве химических источников тока, электрохимических датчиков и преобразователей энергии и информации.
Известно использование в литиевых химических источниках тока ионопроводящих полимерных пленок [1,3] в которых ионная проводимость обеспечивается самим полимером, или благодаря тому, что полимер сам является источником носителей зарядов, или благодаря тому, что он служит матрицей для ионопроводящего материала, обеспечивая одновременно перемещение заряда и поддерживание ионопроводящего материала в твердом состоянии.
В качестве ионопроводящего наполнителя полимерной матрицы в пленочных полимерных электролитах известно использование β-Al2O3. Получены материалы, которые в виде пленок толщиной 10-2.10-3 см показывают проводимость 10-3. 10-4 см/см [2] Пленку получают из суспензии β-Al2O3 в растворе поликарбоната в диметилформамиде. Однако формирование из суспензии не позволяет получать пленки с однородной структурой и стабильной ионной проводимостью, так как не обеспечивает диспергирование до частиц одного размера: наполнитель образует агломераты различных типов и формирование ионопроводящих путей носит случайный характер. Кроме того, получение самого β-Al2O3 технологически сложно, требует использования высоких температур и давлений и трудоемко.
Известен литиевый химический источник тока с твердым полимерным электролитом на основе поливинилацетата, легированного перхлоратом лития, путем растворения в метаноле [3] Электропроводность такого пленочного полимерного электролита очень низка и составляет 10-11 см/см.
Известны литиевые химические источники тока с твердым полимерным электролитом, способные работать при температурах до 100oC [4] Твердый полимерный электролит (толщина <1 мм) для этих ХИТ изготавливается на основе полиэтиленоксида (CH2-CH2-O) и солей лития LiClO4 или LiCF3SO3. Обладая свойствами эластичной пленки, этот электролит способен деформироваться и сохранять хороший контакт с электродами. Однако указанный твердый полимерный электролит с проводимостью по ионам лития, на основе полиэтиленоксида, выбранный нами в качестве прототипа, становится малоэффективным при температурах уже ниже + 40oC. Его электропроводность снижается на несколько порядков, нарушается контакт на границе раздела фаз электрод-электролит и ухудшаются электрохимические характеристики источника тока.
Целью настоящего изобретения является повышение электропроводности пленочного твердого полимерного электролита, улучшение контакта на границе раздела фаз электрод-электролит и электрических характеристик литиевого химического источника тока и упрощение технологии его изготовления.
Поставленная цель достигается тем, что в литиевом химическом источнике тока с твердым пленочным электролитом на основе полимера с наполнителем в качестве полимера использовали ацетат целлюлозы в виде раствора в ацетоне, а в качестве наполнителя-ионопроводящие органические соли замещенного тиапирилия (1, 2, 3, 4) при следующем соотношении компонентов, мас.
ионопроводящая органическая соль замещенного тиапирилия 0,34.1,34
ацетат целлюлозы 9,80.9,90
ацетон 88,86.89,76
В качестве ионопроводящей органической соли замещенного тиапирилия предпочтительна соль (1) с органическим катионом из трех шестичленных алициклов с радикалом диметиламинобензилиденом в положении 2/n, обеспечивающем увеличение цепи сопряжения.
Соли замещенного тиапирилия обладают как электронной, так и ионной проводимостью. Увеличение их электронной проводимости путем введения углеграфитовых материалов позволяет использовать соли замещенного тиапиридия в качестве эффективных органических катодов источников типа. Например, создавая условия, благоприятные для увеличения их ионной проводимости, можно получить эффективные твердые электролиты. Соли замещенного тиапирилия обладают стабильными характеристиками, технологичны; вещества, используемые для их синтеза, доступны и дешевы, синтез их прост и основан на характерной для солей реакции обмена.
Использование солей замещенного тиапирилия в качестве твердого электролита не известно.
Предполагаемое изобретение осуществляется следующим образом:
готовят раствор ацетата целлюлозы заданной концентрации в органическом растворителе ацетоне;
приготовленный раствор в объеме 5 мл переносят пипеткой в бюкс и смешивают с навеской соли замещенного тиапирилия до полного растворения;
полученный вязкий раствор выливают в формы, установленные на массивную стеклянную основу;
в качестве форм используют цилиндры определенного размера, например, пенициллиновые флаконы с отрезанным днищем; горловину форм с помощью ацетатного клея пришлифовывают к стеклянной основе;
вводимая в форму композиция равномерно растекается по стеклянной поверхности основы и образует однородную по толщине пленку;
сформированную пленку сушат в вытяжном шкафу при комнатной температуре (19. 20oC) до постепенного веса;
для испытания пленки на электропроводность из нее вырубают по три образца диаметром 0,500 ± 0,001 см.
Результаты испытаний приведены в таблицах 1 4 и показывают, что электропроводность изготовленного по предлагаемому способу твердого пленочного электролита максимальна при содержании соли 3,40.11,26 мас. в пленке и зависит от природы соли. Наиболее высокую электропроводность показали пленки на основе перхлората симм-октагидротиоксантилия (таблица 1) и перхлората 2,3-/2/-(диметиламинобензилиден)триметилентетрагидротиохромилия (таблица 3) при следующем соотношении компонентов, мас.
соль замещенного тиапирилия 0,34.1,34
ацетат целлюлозы 9,80.9,80
ацетон 88,86.89,76
Это соответствует содержанию соли в пленке твердого электролита 3,40. 13,52 мас. при толщине пленки 0,48.0,52 мм.
При концентрации соли тиапирилия в растворе ацетата целлюлозы в ацетоне ниже 0,34 мас. снижается количество электрических контактов в пленке, обеспечивающих перенос зарядов по ионам органического наполнителя соли тиапирилия. Это приводит к снижению электропроводности сформированной пленки твердого полимерного электролита.
Увеличение концентрации соли тиапирилия в растворе ацетата целлюлозы в ацетоне выше 1,34 мас. сопровождается снижением степени диссоциации и уменьшения концентрации ионов органического наполнителя в растворе и, соответственно, снижением количества электрических контактов в пленке.
Электропроводность пленочного твердого полимерного электролита сильно зависит от природы органического катиона и уменьшается в ряду предлагаемых перхлоратов производных тиапирилия:
1. 4-/n-диметиламинобензилиден/-симм-октагидротиоксантилия перхлорат σ*, см/см
Figure 00000001
18,4•105
2. симм-октагидрооксантилия перхлорат
Figure 00000002
14,3•10-5
*концентрация соли в пленке 6,79 мас. толщина пленки 0,50±0,02 мм.
3. 2,3-(2'-(n-диметиламинобензилиден)-триметилентетрагидротиохромилия перхлорат 8,4•10-5
Figure 00000003

4. 4-фенил-2-(n-метоксифенил)-5,6-тетраметилентиопирилия перхлорат
Figure 00000004
6,3•10-5
Таким образом, наиболее высокие электролитические качества показали пленки твердого полимерного электролита на основе ацетонового раствора ацетата целлюлозы при введении в него 4-(n-диметиламинобензилиден)симм-октагидротиоксантилия перхлората, т.е. электропроводность пленочного твердого электролита с органической солью в качестве наполнителей возрастает при увеличении числа циклов в органическом катионе и при увеличении цепи сопряжения за счет введения в боковую цепь радикалов бензилиденового ряда.
Электропроводность твердого полимерного электролита, выбранного нами за прототип [4] на основе поливинилацетата, легированного перхлоратом лития в метаноле при толщине того же порядка, составляет при комнатной температуре 10-11 см/см.
Новизна предлагаемого изобретения заключается в том, что в литиевом химическом источнике тока с твердым пленочным электролитом на основе полимера с наполнителем, в качестве полимера используют ацетат целлюлозы, растворенный в ацетоне, а в качестве наполнителя ионные органические соли, а именно соли замещенного тиапирилия. Полученный гибридный материал обеспечивает высокую ионную электропроводность твердого полимерного электролита в источнике тока при комнатной температуре.
Существенное отличие нового пленочного твердого полимерного электролита заключается в том, что, в отличие от прототипа, полимер ацетата целлюлозы используют в виде раствора в ацетоне, в котором растворяют соль замещенного тиапирилия. Таким образом, предлагаемая композиция представляет собой однофазную гомогенную систему, которая позволяет формовать однородные тонкие пленки в обычных условиях без применения высоких температур и давлений.
Предлагаемое изобретение поясняется следующими примерами.
Пример 1.
Готовят 10%-ный раствор ацетата целлюлозы в ацетоне. В 5 мл приготовленного раствора растворяют навеску соли -симм-октагидротиоксантилия перхлората в количестве 0,030 г. Приготовленный раствор отвечает составу, мас.
ацетат целлюлозы 9,86 симм-октагидротиоксантилия
перхлорат 0,68
ацетон 89,46
Содержание наполнителя в сухой полимерной пленке 6,79% от массы сухой пленки. Толщина образующейся пленки 0,50±0,02 мм. Удельная электропроводность 14,3•10-5 см/см (таблица 1).
Результаты испытаний пленок с различным содержанием наполнителя приведены в таблице 1.
Все растворы готовят, как описано в примере 1, путем растворения соответствующей навески соли 0,005; 0,010; 0,015; 0,030; 0,050; 0,650 г в 5 мл 10% -ного раствора ацетата целлюлозы а ацетоне. Концентрация соли в приготовленных растворах, мас. 0,11; 0,23; 0,34; 0,68; 1,12; 1,34. Как видно из таблицы 1, наиболее высокая электропроводность пленок твердого полимерного электролита на основе ацетата целлюлозы, растворенного в ацетоне, и органической соли симм-октагидротиоксантилия перхлората отвечает содержанию соли в сухой пленке 3,40.11,26 мас.
Результаты испытаний прототипа приведены в таблице 1.
Как видно из таблицы 1, предлагаемый пленочный твердый полимерный электролит на основе ацетата целлюлозы, растворенного в ацетоне, органической ионопроводящей соли симм-октагидротиоксантилия перхлората превосходит прототип по электропроводности в 103.107 раз.
Это обусловлено тем, что предлагаемая новая композиция для изготовления пленочного твердого полимерного электролита, благодаря выбору ацетона в качестве растворителя полимера, представляет собой однофазную гомогенную систему, в которой взаимодействие между компонентами превосходит на молекулярном уровне. В результате необходимая концентрация электрических контактов, обеспечивая максимальную электропроводность пленки, достигается при меньшем наполнении и меньшей толщине пленок.
Пример 2.
Готовят 10%-ный раствор ацетата целлюлозы в ацетоне. В 5 мл приготовленного раствора вводят навеску соли 4-(n-диметиламинобензилиден) симм-октагидротиоксантилия перхлората в количестве 0,030 г. Приготовленный раствор отвечает составу, мас.
ацетат целлюлозы 9,86
4-(n-диметиламинобензилиден симм-октагидрооксантилия перхлорат 0,68
ацетон 89,46
Содержание наполнителя в сухой полимерной пленке 6,79% от массы сухой пленки. Толщина изготовленной пленки 0,50±0,02 мм. Удельная электропроводность 18,40•10-5 см/см (таблица 2).
Результаты испытаний пленок с различным содержанием наполнителя в виде 4-(n-диметиламинобензилиден)-симм-октагидротиоксантилия перхлората приведены в таблице 2.
Пленки изготовлены из растворов, полученных, как описано в примерах 2 и 1.
Как видно из таблицы 2, с заменой симм-октагидротиоксантилия перхлората (ср. с таблицей 1) на 4-(n-диметиламинобензилиден)-симм-октагидротиоксантилия перхлората удельная электропроводность пленочного твердого полимерного электролита на основе ацетата целлюлозы, растворенного в ацетоне, и органической ионопроводящей соли по сравнению с прототипом еще более возрастает и максимальна при содержании соли в сухой пленке 11,26 мас.
Содержание соли, при котором достигается наиболее высокая электропроводность пленок твердого полимерного электролита на основе 4-(n-диметиламинобензилиден)-симм-октагидротиоксантилия перхлората - 6,79.15,00 мас.
Пример 3.
Готовят 10%ный раствор ацетата целлюлозы в ацетоне. В 5 мл приготовленного раствора вводят навеску соли 2,3-(2'-(n-диметиламинобензилиден)) триметилентетрагидротиохромилия перхлората в количестве 0,050 г.
Приготовленный раствор отвечает составу, мас.
ацетат целлюлозы 9,82
2,3-(2'-(n-диметиламинобензилиден)) триметилентетрагидротиохромилия перхлората 1,12
ацетон 86,06
Содержание органической соли, ионопроводящей в сухой пленке, 11,26% от массы сухой пленки.
Толщина изготовленной пленки 0,50±0,02 мм. Удельная электропроводность 14,03•105 см/см (таблица 3). Результаты испытаний пленок с различным содержанием 2,3-(2'-(n-диметаламинобензилиден)) триметилентетрагидротиохромилия перхлората приведены в таблице 3. Пленки имеют электропроводность того же порядка, что описано в примерах 1 и 2. Количество соли 2,3-(2'-(n-диметиламинобензилиден) триметилентетрагидротиохромилия перхлората, при котором достигается наиболее высокая электропроводность пленочного твердого полимерного электролита, 6,79.15,00 мас.
Как видно из сравнения данных, представленных в таблицах 3 и 2, замена 6-членного алицикла на 5-членный в структуре органического катиона приводит к заметному снижению электролитических свойств пленок их электропроводность снижается в 2 4 раза (даже при наличии боковой цепи сопряжения в виде радикала диметиламинобензилидена в положении 2/n).
Еще большее снижение электропроводности пленок твердого полимерного электролита на основе ацетата целлюлозы, растворенного в ацетоне, ионопроводящей органической соли наблюдается при использовании в качестве ионопроводящей органической соли 4-фенил-2-(n-метоксифенил)-5,6-тетраметилентиапирилия перхлората, что видно из сравнения данных, приведенных в таблицах 4 и 1 3.
Максимальная электропроводность, достигается в этом случае, (8,62. 8,63)•10-5 см/см при толщине пленки 0,50±0,02 мм при содержании органической соли в сухой пленке 3,40.6,79 мас.
Однако, как и во всех других случаях, электропроводность предлагаемых пленок остается выше на 3 7 порядков по сравнению с прототипом.
Новизна предлагаемого изобретения заключается в том, что в качестве ионопроводящего наполнителя в полимерную пленку вводится органическая соль замещенного тиапирилия.
Из литературных источников не известно использование ацетата целлюлозы в сочетании с органической солью замещенного тиапирилия в ацетоне в качестве органического растворителя с целью повышения электропроводности пленочного твердого полимерного электролита и улучшения характеристик литиевого химического источника тока.
Существенным отличием нового пленочного твердого полимерного электролита от прототипа является то, что для его получения используется ацетат целлюлозы, растворенный в ацетоне. Благодаря координационному взаимодействию катиона замещенного тиапирилия с электродными кислородными частицами гидроксильных (OH-) и сложноэфирных группировок молекул ацетата целлюлозы, а также сольватационным процессам с участием молекул ацетона исходная рабочая композиция образует гомогенный, молекулярной степени дисперсности раствор, что обеспечивает оптимальную концентрацию электрических контактов в сухой пленке и сильное повышение ее электропроводности.
Использование вместо суспензии однофазной гомогенной электролитной системы обладает рядом преимуществ перед прототипом:
формирование более тонких, гибких и однородных пленок;
достижение высоких электролитических свойств при степени наполнения, на порядок меньшей по сравнению с прототипом;
упрощение технологии изготовления пленочного твердого полимерного электролита, простота синтеза солей замещенного тиапирилия (по реакции обмена), доступность и невысокая стоимость исходных материалов; для проведения процесса не требуются высокие температуры и давления.

Claims (1)

  1. Композиционная смесь для приготовления пленочного твердого полимерного электролита, содержащая полимер, ионопроводящую соль и органический растворитель, отличающаяся тем, что в качестве полимера взят ацетат целлюлозы, в качестве ионопроводящей соли ионопроводящая органическая соль замещенного тиапирилия, а в качестве растворителя ацетон при следующем соотношении компонентов, мас.
    Ацетат целлюлозы 9,80 9,90
    Ионопроводящая органическая соль замещенного тиапирилия 0,34 1,34
    Ацетон 88,86 89,76а
RU93003709A 1993-01-19 1993-01-19 Композиционная смесь для приготовления пленочного твердого полимерного электролита RU2075799C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU93003709A RU2075799C1 (ru) 1993-01-19 1993-01-19 Композиционная смесь для приготовления пленочного твердого полимерного электролита

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU93003709A RU2075799C1 (ru) 1993-01-19 1993-01-19 Композиционная смесь для приготовления пленочного твердого полимерного электролита

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU93003709A RU93003709A (ru) 1995-03-10
RU2075799C1 true RU2075799C1 (ru) 1997-03-20

Family

ID=20136167

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU93003709A RU2075799C1 (ru) 1993-01-19 1993-01-19 Композиционная смесь для приготовления пленочного твердого полимерного электролита

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2075799C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1998028812A1 (en) * 1996-12-20 1998-07-02 Danionics A/S Lithium secondary battery

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
1. J.Electrochem. Soc., 1987, v.134, N 8, p. 408. 2. Кеженис А.П., Тельнова Г.Б., Родионова А.И. Особенности электрохимических свойств суперионных монокристаллов и керамик на основе бета-глинозема: Литовский физический сборник, 1993, т. 23, N 5, с. 97 - 104. 3. J. Electrochem. Soc., 1988, v.135, N 2, p. 532 - 536. 4. J. Electrochem. Soc., 1985, v.132, N 6, р. 1333 - 1340. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1998028812A1 (en) * 1996-12-20 1998-07-02 Danionics A/S Lithium secondary battery

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Rajendran et al. Investigations on the effect of various plasticizers in PVA–PMMA solid polymer blend electrolytes
Stephan et al. Review on composite polymer electrolytes for lithium batteries
Stephan Review on gel polymer electrolytes for lithium batteries
US5695873A (en) Polymer-ceramic composite electrolytes
Reiter et al. Electrochromic devices employing methacrylate-based polymer electrolytes
EP0858678A1 (en) Wide electrochemical window solvents for use in electrochemical devices and electrolyte solutions incorporating such solvents
Ai et al. A chitosan/poly (ethylene oxide)‐based hybrid polymer composite electrolyte suitable for solid‐state lithium metal batteries
WO1997016862A9 (en) Wide electrochemical window solvents for use in electrochemical devices and electrolyte solutions incorporating such solvents
KR20040030391A (ko) 중합체 전해질 조성물
JP3098248B2 (ja) 電池用イオン伝導体又は電解質
KR100387393B1 (ko) 상온 용융염을 포함하는 복합 고분자 전해질
RU2075799C1 (ru) Композиционная смесь для приготовления пленочного твердого полимерного электролита
Hotta et al. Electrochemically prepared poly (3-methylthienylene) films doped with iodine
JPS6040614B2 (ja) 特に電気光学的装置用重合体電解質の製法
Munichandraiah et al. Ionic conductivity and lithium electrode stability in Hydrin: LiBF4 elastomers
Wu et al. An ambient‐temperature superionic conductive, electrochemically stable, plastic cross‐linked polymer electrolyte for lithium metal battery
Reiter et al. Proton-conducting polymer electrolytes based on methacrylates
JP3154746B2 (ja) 有機固体電解質
KR19980036252A (ko) 고체 고분자 전해질 조성물
KR100408514B1 (ko) 고분자 고체 전해질 및 이를 채용하고 있는 리튬 2차전지
JPS6355810A (ja) イオン伝導性固体電解質組成物
KR100231682B1 (ko) 고체 고분자 전해질 조성물
JPS61206170A (ja) 二次電池
JPS62296376A (ja) 高分子固体電解質電池の製造法
Tsuchida Ion Tunneling in Polymeric Solid Electrolytes for Batery and Electrochromic Display in the Dry State