Ions transport properties in polymer gel electrolytes with introduction of ionic liquid for lithium electrochemical systems

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The study focused on the competitive ionic and molecular transport characteristics of four polymer gel electrolyte compositions synthesized through the radical polymerization of polyethylene glycol diacrylate, incorporating LiBF4 salt, 1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate, and various organic solvents: dioxolane (DOL), diglyme (G2), tetraglyme (G4), and ethylene carbonate (EC). The aim was to identify a composition with the highest mobility for the Li+ cation. Flexible films of the polymer gel electrolytes were analyzed using differential scanning calorimetry, thermogravimetric analysis, and Fourier transform infrared spectroscopy. The features of ionic and molecular transport were investigated using pulsed field gradient NMR in conjunction with electrochemical impedance spectroscopy. The total conductivity of these systems ranged from 1.8 to 4.1 mS cm–1 at room temperature. Although the composition with EC exhibited high ionic conductivity, the mobility of the Li+ cation at room temperature increased in the following order: Li+(EC)4 < Li+(DOL)4 < Li+(G4) < Li+(G2)2. Calculating the hydrodynamic radius of the lithium cation revealed that for Li+(EC)4 and Li+(DOL)4, the radius decreased with rising temperature; for Li+(G2)2, it remained nearly constant; while for Li+(G4), it exhibited an abnormal increase. This unusual behavior is likely due to the re-solvation of the lithium cation from the polymer matrix into tetraglyme. In assessing the compatibility of the polymer gel electrolytes with metallic lithium, it was found that electrolyte compositions containing tetraglyme, diglyme, and ethylene carbonate show promise for further research and potential application as electrolytes in lithium power sources.

About the authors

N. A. Slesarenko

FRC of Problems of Chemical Physics and Medicinal Chemistry of the Russian Academy of Sciences

Email: n.slesarenko@icp.ac.ru
Chernogolovka, Russia

A. V. Chernyak

FRC of Problems of Chemical Physics and Medicinal Chemistry of the Russian Academy of Sciences; Institute of Solid State Physics named after Yu. A. Osipyan RAS

Email: n.slesarenko@icp.ac.ru
Chernogolovka, Russia; Chernogolovka, Russia

K. G. Khatmullina

FRC of Problems of Chemical Physics and Medicinal Chemistry of the Russian Academy of Sciences; National Research University “Moscow Power Engineering Institute”

Email: n.slesarenko@icp.ac.ru
Chernogolovka, Russia; Moscow, Russia

A. V. Yudina

FRC of Problems of Chemical Physics and Medicinal Chemistry of the Russian Academy of Sciences

Email: n.slesarenko@icp.ac.ru
Chernogolovka, Russia

A. A. Slesarenko

FRC of Problems of Chemical Physics and Medicinal Chemistry of the Russian Academy of Sciences

Email: n.slesarenko@icp.ac.ru
Chernogolovka, Russia

D. A. Chernyaev

FRC of Problems of Chemical Physics and Medicinal Chemistry of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: n.slesarenko@icp.ac.ru
Chernogolovka, Russia

O. V. Yarmolenko

FRC of Problems of Chemical Physics and Medicinal Chemistry of the Russian Academy of Sciences

Email: oyarm@mail.ru
Chernogolovka, Russia

References

  1. Lopez, J., Mackanic, D.G., Cui, Y., and Bao, Z., Designing polymers for advanced battery chemistries, Nat. Rev. Mater., 2019, vol. 4, p. 312. doi: 10.1038/s41578–019–0103–6
  2. Song, Z., Chen, F., Martinez-Ibañez, M., Feng, W., Forsyth, M., Zhou, Z., Armand, M., and Zhang, H., A reflection on polymer electrolytes for solid-state lithium metal batteries, Nat. Commun., 2023, vol. 14, p. 4884. doi: 10.1038/s41467-023-40609-y
  3. Bailey, E.J. and Winey, K.I., Dynamics of polymer segments, polymer chains, and nanoparticles in polymer nanocomposite melts: a review, Prog. Polym. Sci., 2020, vol. 105, p. 101242.
  4. Park, S., Chaudhary, R., Han, S.A., Qutaish, H., Moon, J., Park, M.-S., Kim, J.H., et al., Ionic conductivity and mechanical properties of the solid electrolyte interphase in lithium metal batteries, Energy Mater., 2023, vol. 3, p. 300005. doi: 10.20517/energymater.2022.65
  5. Rollo-Walker, G., Malic, N., Wang, X., Chiefari, J., and Forsyth, M., Development and Progression of Polymer Electrolytes for Batteries: Influence of Structure and Chemistry, Polymers, 2021, vol. 13, p. 4127. doi: 10.3390/polym13234127
  6. Herbers, L., Küpers, V., Winter, M., and Bieker, P., An ionic liquid- and PEO-based ternary polymer electrolyte for lithium metal batteries: an advanced processing solvent-free approach for solid electrolyte processing, RSC Adv., 2023, vol. 13, p. 17947. doi: 10.1039/d3ra02488a
  7. Черняк, А.В., Березин, М.П., Слесаренко, Н.А., Забродин, В.А., Волков, В.И., Юдина, А.В., Шувалова, Н.И., Ярмоленко, О.В. Влияние структуры сетчатого полимерного гель-электролита на ионную и молекулярную подвижность электролитной системы соль LiBF4 – ионная жидкость 1-этил-3-метилимидазолий тетрафторборат. Изв. АН. Сер. хим. 2016. Т. 65. С. 2053. [Chernyak, A.V., Berezin, M.P., Slesarenko, N.A., Zabrodin, V.A., Volkov, V.I., Yudina, A.V., Shuvalova, N.I., and Yarmolenko, O.V., Influence of the reticular polymeric gel-electrolyte structure on ionic and molecular mobility of an electrolyte system salt-ionic liquid: LiBF4–1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate, Russ. Chem. Bull., Int. Ed., 2016, vol. 65, no. 8, p. 2053.] doi: 10.1007/s11172-016-1551-4
  8. Wan, J., Wan, M., Hou, X., Vangosa, F.B., Bresser, D., Li, J., and Paillard, E., Combining ternary, ionic liquid-based, polymer electrolytes with a single-ion conducting polymer based interlayer for lithium metal batteries, Energy Mater., 2024, vol. 4, p. 400074. doi: 10.20517/energymater.2024.50
  9. Correia, D.M., Fernandes, L.C., Martins, P.M., García-Astrain, C., Costa, C.M. Reguera, J., and Lanceros-Méndez, S., Ionic liquid–polymer composites: a new platform for multifunctional applications, Adv. Funct. Mater., 2020, vol. 30, p. 1909736. doi: 10.1002/adfm.201909736
  10. Ma, X., Yu, J., Hu, Y., Texter, J., and Yan, F., Ionic liquid/poly(ionic liquid)-based electrolytes for lithium batteries, Ind. Chem. Mater., 2023, vol. 1, p. 39. doi: 10.1039/d2im00051b
  11. Gupta, H. and Singh, R.K., Ch. 5. Ionic Liquid-Based Gel Polymer Electrolytes for Application in Rechargeable Lithium Batteries / Haider, S., Haider, A., Khodaei, M., and Chen, L., ed. Energy Storage Battery Systems – Fundamentals and Applications [Internet]. Intech Open; 2021. ISBN978-1-83962-907-5. doi: 10.5772/intechopen.93397
  12. Pei, Y., Zhang, Y., Ma, J., Fan, M., Zhang, S., and Wang, J., Ionic liquids for advanced materials, Mater. Today Nano, 2022, vol. 17, p. 100159. doi: 10.1016/j.mtnano.2021.100159
  13. Tripathi, A.K., Ionic liquid–based solid electrolytes (ionogels) for application in rechargeable lithium battery, Mater. Today Energy, 2021, vol. 20, p. 100643. doi: 10.1016/j.mtener.2021.100643
  14. Qi, H., Ren, Y., Guo, S., Wang, Y., Li, S., Hu, Y., and Yan, F., High-voltage resistant ionic liquids for lithium-ion batteries, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, vol. 12, p. 591. doi: 10.1021/acsami.9b16786
  15. Karuppasamy, K., Theerthagiri, J., Vikraman, D., Yim, C.-J., Hussain, S., Sharma, R., Maiyalagan, T., Qin, J., and Kim, H.-S., Ionic Liquid-Based Electrolytes for Energy Storage Devices: A Brief Review on Their Limits and Applications, Polymers, 2020, vol. 12, p. 918. doi: 10.3390/polym12040918
  16. Wang, X., Jin, L., Feng, W., et al., Opportunities for ionic liquid-based electrolytes in rechargeable lithium batteries, Sci. China Chem., 2023, vol. 66, p. 3443. doi: 10.1007/s11426-023-1827-0
  17. Yarmolenko, O.V., Khatmullina, K.G., Baymuratova, G.R., Emelianov, N.A., Baimuratova, R.K., and Yudina, A.V., Influence of TiO2 and SiO2 Nanoparticles on the Properties of Polymer Electrolytes Based on Ionic Liquid and Lithium Salt, High Energy Chemistry, 2023, vol. 57, Suppl. 2, p. S375. doi: 10.1134/S0018143923080258
  18. Slesarenko, N.A., Chernyak, A.V., Khatmullina, K.G., Baymuratova, G.R., Yudina, A.V., Tulibaeva, G.Z., Shestakov, A.F., Volkov, V.I., and Yarmolenko, O.V., Nanocomposite Polymer Gel Electrolyte Based on TiO2 Nanoparticles for Lithium Batteries, Membranes, 2023, vol. 13, p. 776. doi: 10.3390/membranes13090776
  19. Khatmullina, K.G., Slesarenko, N.A., Chernyak, A.V., Baymuratova, G.R., Yudina, A.V., Berezin, M.P., Tulibaeva, G.Z., Slesarenko, A.A., Shestakov, A.F., and Yarmolenko, O.V., New network polymer electrolytes based on ionic liquid and SiO2 Nanoparticles for energy storage systems, Membranes, 2023, vol. 13, p. 548. doi: 10.3390/membranes13060548
  20. Volkov, V.I., Yarmolenko, O.V., Chernyak, A.V., Slesarenko, N.A., Avilova, I.A., Baymuratova, G.R., and Yudina, A.V., Polymer electrolytes for lithium ion batteries studied by NMR techniques (Review), Membranes, 2022, vol. 12, p. 416. doi: 10.3390/membranes12040416
  21. Suh, K.-J., Hong, Y.-S., Skirda, V.D., Volkov, V.I., Lee, C.-Y.J., and Lee, C.-H., Water Self-Diffusion Behavior in Yeast Cells Studied by Pulsed Field Gradient NMR, Biophys. Chem., 2003, vol. 104, p. 121. doi: 10.1016/S0301-4622(02)00361-7
  22. Hayamizu, K. and Aihara, Y., Ion and Solvent Diffusion and Ion Conduction of PC-DEC and PC-DME Binary Solvent Electrolytes of LiN(SO2CF3)2, Electrochim. Acta, 2004, vol. 49, p. 3397. doi: 10.1016/j.electacta.2004.03.007
  23. Слесаренко, А.А., Тулибаева, Г.З., Юдина, А.В., Слесаренко, Н.А., Шестаков, А.Ф., Ярмоленко, О.В. Низкотемпературные загущенные электролиты на основе соли LiN(SO2CF3)2 в смешанных растворах глимов для литиевых источников тока. Известия АН. Сер. хим. 2024. Т. 73. С. 1. [Slesarenko, A.A., Tulibaeva, G.Z., Yudina, A.V., Slesarenko, N.A., Shestakov, A.F., and Yarmolenko, O.V., Low-temperature gelled electrolytes based on the salt LiN(SO2CF3)2 in mixed glyme solutions for lithium power sources, Russ. Chem. Bull., Int. Ed., 2024, vol. 73, no. 11, p. 1.]
  24. Тулибаева, Г.З., Шестаков, А.Ф., Волков, В.И., Ярмоленко, О.В. Строение сольватных комплексов LiBF4 в этиленкарбонате по данным ЯМР-спектроскопии высокого разрешения и квантово-химического моделирования. Журн. физ. химии. 2018. Т. 92. С. 625. [Tulibaeva, G.Z., Shestakov, A.F., Volkov, V.I., and Yarmolenko, O.V., Structure of LiBF4 Solvate Complexes in Ethylene Carbonate, Based on High-Resolution NMR and Quantum-Chemica Data, Russ. J. Physical Chemistry A, 2018, vol. 92, p. 747.] doi: 10.1134/S0036024418040313
  25. Баймуратова, Г.Р., Хатмуллина, К.Г., Тулибаева, Г.З., Якущенко, И.К., Трошин, П.А., Ярмоленко, О.В. Загущенный электролит на основе тетраглима для органических электродных материалов. Изв. АН. Сер. хим. 2022. Т. 71. С. 2108. [Baymuratova, G.R., Khatmullina, K.G., Tulibaeva, G.Z., Yakushenko, I.K., Troshin, P.A., and Yarmolenko, O.V., Gelled tetraglyme-based electrolyte for organic electrode materials, Russ. Chem. Bulletin, 2022, vol. 71, no. 10, p. 2108.]. doi: 10.1007/s11172-022-3634-8
  26. Wildenberg, A., Fenard, Y., Carbonnier, M., Keromnes, A., Lefort, B., Serinyel, Z., Dayma, G., Le Moyne, L., Dagaut, P., and Heufer, K.A., An experimental and kinetic modeling study on the oxidation of 1,3-dioxolane, Proc. Combust. Inst., 2021, vol. 38, p. 543. doi: 10.1016/j.proci.2020.06.362
  27. Shkrob, I.A., Zhu, Y., and Abraham, D.P., Reduction of Carbonate Electrolytes and the Formation of Solid-Electrolyte Interface (SEI) in Lithium-Ion Batteries. 1. Spectroscopic Observations of Radical Intermediates Generated in One-Electron Reduction of Carbonates, J. Phys. Chem. C, 2013, vol. 117, p. 19255. doi: 10.1021/jp406274e

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Download (3MB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».