شکل‌شناسی و خواص الکتروشیمیایی الکترولیت پلیمری ژل‌مانند بر پایه آمیخته PVDF-HFP/PEO

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

1 ماهشهر، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، پردیس ماهشهر، گروه مهندسی پلیمر، صندوق پستی 13178-63517

2 تهران، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، دانشکده مهندسی پلیمر و رنگ، صندوق پستی 4413-15875

3 تهران،پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران، پژوهشکده فرایند، گروه پلاستیک، صندوق پستی 112-14975

4 تهران، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد تهران جنوب، دانشکده علوم پایه، گروه شیمی کاربردی، صندوق پستی 13651-177761

5 تهران، شرکت اورند پیشرو، واحد تحقیق و توسعه، صندوق پستی 4714-196694

6 میلان، پلی تکنیک میلان، گروه شیمی، مواد و مهندسی شیمی، جولیو ناتا

10.22063/jipst.2021.1793

چکیده

فرضیه: الکترولیت‌های پلیمری ژل‌مانند (شبه‌جامد) در سال‌های اخیر به‌عنوان جایگزین مناسب برای الکترولیت‌های مایع مورد توجه قرار گرفته‌اند. از سوی دیگر، مایعات یونی به‌طور چشمگیری رسانندگی یونی را در الکترولیت‌ها افزایش می‌دهند. در این پژوهش، الکترولیت‌های پلیمری ژل‌مانند بر پایه آمیخته پلی‌(وینیلیدن فلوئورید-co-هگزافلوئورو‌پروپیلن)-پلی(اتیلن اکسید) (PVDF-HFP/PEO) (برای کاربرد در سلول‌های خورشیدی رنگینه‌حساس) و مایعات یونی بر پایه ایمیدازولیوم تهیه شدند. آمیخته‌سازی این دو پلیمر می‌تواند درجه بلورینگی را کاهش داده و تخلخل آمیخته الکترولیتی را افزایش دهد و بدین ترتیب مقدار جذب و رسانندگی یونی الکترولیت بهبود می‌یابد.
روش‌ها: الکترولیت‌های آمیخته پلیمری در مجاورت یکی از مایعات یونی شامل 1-بوتیل-3-متیل ایمیدازولیوم یدید (BMII) یا 1-بوتیل-3-متیل ایمیدازولیوم تترافلوئورو بورات (BMIMBF4) با روش وارونگی فاز، در نسبت‌های مختلف آمیخته تهیه شدند و خواص مختلف آن‌ها با گرماسنجی پویشی تفاضلی (DSC)، آزمون تخلخل‌سنجی جیوه، مقدار جذب الکترولیت و شکل‌شناسی به‌منظور بهینه‌کردن نسبت آمیخته بررسی شد.
یافته‌ها: نسبت 40/60w/w آمیخته PVDF-HFP/PEO بیشترین مقدار تخلخل و جذب الکترولیت را نشان داد. نتایج بررسی بلورینگی با DSC آشکار کرد که ارتباط مستقیمی میان کاهش درصد بلورینگی دو جزء پلیمری و بهبود رسانندگی یونی آمیخته الکترولیتی وجود دارد. جذب الکترولیت با افزایش غلظت جزء PEO تا 40wt% به‌تدریج رشد یافت و به‌ترتیب برای BMIMBF4 و BMII به بیشینه مقدار 98.49 و %89.48 ‌رسید. اما، پس از این ترکیب ‌درصد، کاهش جذب الکترولیت دیده شد که ویژگی نامطلوب برای نمونه‌های تولیدشده است. رسانندگی یونی در ترکیب ‌درصد یادشده به‌ترتیب 2.07 و 1.78mS/cm برای الکترولیت‌‌های PVDF-HFP/PEO/BMIMBF4 و PVDF-HFP/PEO/BMII بوده است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Morphology and Electrochemical Properties of a Gel Blend Polymer Electrolyte Based on PVDF-HFP/PEO Blend

نویسندگان [English]

  • Pedram Manafi 1
  • Hossein Nazockdast 2
  • Sepideh Gomari 3
  • Mohammad Reza Manafi 4
  • Sara Sedighi 5
  • Luca Bertoli 6
  • Luca Magagnin 6
1 1Mahshahr Campus, Amirkabir University of Technology, Department of Polymer Engineering, P.O. Box 63517-13178, Mahshahr, Iran
2 3Department of Polymer Engineering and Color Technology, Amirkabir University of Technology, P.O. Box 15875-4413, Tehran, Iran
3 Department of Plastics, Faculty of Processing, Iran Polymer and Petrochemical Institute, P.O. Box 14975-112, Tehran, Iran
4 5Department of Applied Chemistry, Faculty of Science, South Tehran Branch, Islamic Azad University, P.O. Box 177761-13651, Tehran, Iran
5 Department of Research and Development, Avrand Pishro Company, P.O. Box 196694-4714Tehran, Iran
6 Department of Chemistry, Materials and Chemical Engineering “Giulio Natta,”, Politecnico di Milano, Milano, Italy
چکیده [English]

Hypothesis: In recent years, gel polymer electrolytes (quasi-solid state electrolytes) have attracted great attention as a suitable substitute for liquid electrolytes. On the other hand, ionic liquids could dramatically enhance the ionic conductivity of electrolytes. In this work, gel polymer electrolytes based on poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene) (PVDF-HFP)/poly(ethylene oxide) (PEO) blends (for application in dye-sensitized solar cells (DSSCs)) and imidazolium-based ionic liquids were prepared. It is supposed that blending these two polymers could reduce the degree of crystallization and increase the porosity of the electrolyte blend to yield a higher electrolyte uptake and ionic conductivity.   
Methods: Polymer blend electrolytes were prepared in different blend ratios and in the presence of either one of the ionic liquids including BMII or BMIMBF4 through phase inversion method and their properties were investigated by differential scanning calorimetry (DSC), mercury porosimetry, electrolyte uptake, and morphology to optimize the blend ratio.  
Findings: It was found that the blend ratio of 60/40 (w/w) PVDF-HFP/PEO has the highest porosity and electrolyte uptake. Crystallization investigations by DSC showed that there is a direct relationship between the decrease of crystallinity of two polymers and the increment of electrolyte ionic conductivity. Electrolyte uptake gradually increased with increasing PEO component concentration up to 40 wt%, and reached a maximum of 98.49% and 89.48% for BMIMBF4 and BMII, respectively. Beyond this concentration, a decrease in electrolyte uptake was seen, which is an undesirable feature for the produced samples. In this blend ratio ionic conductivity was measured as 2.07 mS/cm and 1.78 mS/cm for PVDF-HFP/PEO/BMIMBF4 and PVDF-HFP/PEO/BMII electrolytes, respectively.

کلیدواژه‌ها [English]

  • gel polymer electrolyte
  • polymer blend
  • ionic liquids
  • ionic conductivity
  • electrochemical propertie
  1. Prabakaran K ,.Mohanty S ,.and Nayak S.K ,.PEO/PVdF–HFP Electrolytes for Natural Dye Sensitized Solar Cell Applications: Effect of Modified Nano-TiO2 on Electrochemical and Photovoltaic Performance, J. Mater. Sci. Mater. Electron., 26, 3887-3897, 2015
  2. Das S. and Ghosh A., Charge Carrier Relaxation in Different Plasticized PEO/PVDF-HFP Blend Solid Polymer Electrolytes, J. Phys. Chem. B., 121, 5422-5432, 2017.
  3. Aram E., Ehsani M., and Khonakdar H.A., Improvement of Ionic Conductivity and Performance of Quasi-Solid-State Dye Sensitized Solar Cell Using PEO/PMMA Gel Electrolyte, Thermochim Acta, 615, 61-67, 2015.
  4. Kumar P.S., Sakunthala A., Reddy M.V., and Prabu M., Structural, Morphological, Electrical and Electrochemical Study on Plasticized PVdF-HFP/PEMA Blended Polymer Electrolyte for Lithium Polymer Battery Application, Solid State Ionics, 319, 256-265, 2018.
  5. Wang Z., Tang Y., and Li B., Bicontinuous and Cellular Structure Design of PVDF Membranes by Using Binary Solvents for the Membrane Distillation Process, RSC Adv., 8, 25159-25167, 2018.
  6. Prabakaran K., Mohanty S., and Nayak S.K. Improved Electrochemical and Photovoltaic Performance of Dye Sensitized Solar Cells Based on PEO/PVDF-HFP/Silane Modified TiO2 Electrolytes and MWCNT/Nafion® Counter Electrode, RSC Adv., 5, 40491-40504, 2015.
  7. Zhao X.G., Park J.Y., and Gu H.B., Addition of Electrospun TiO2 Nanofibers for Improving the Charge Capabilities of Polymer Electrolyte-Based DSSCs, J. Electrochem. Soc., 161, 517-522, 2014.
  8. Saikia D., Han C.C., and Chen-Yang Y.W., Influence of Polymer Concentration and Dyes on Photovoltaic Performance of Dye-Sensitized Solar Cell with P(VdF-HFP)-Based Gel Polymer Electrolyte, J. Power Sources, 185, 570-576, 2008.
  9. Cheng Q., Cui Z., Li J., Qin S., Yan F., and Li J., Preparation and Performance of Polymer Electrolyte Based on Poly(vinylidene Fluoride)/Polysulfone Blend Membrane via Thermally Induced Phase Separation Process for Lithium Ion Battery, J. Power Sources, 266, 401-413, 2014.
  10. Cui Z.Y., Xu Y.Y., Zhu L.P., Wang J.Y., Xi Z.Y., and Zhu B.K., Preparation of PVDF/PEO-PPO-PEO Blend Microporous Membranes for Lithium Ion Batteries via Thermally Induced Phase Separation Process, J. Member. Sci., 325, 957-963, 2008.
  11. Zhai W., Zhu H., Wang L., Liu X., Yang H., Study of PVDF-HFP/PMMA Blended Micro-Porous Gel Polymer Electrolyte Incorporating Ionic Liquid [BMIM]BF4 for Lithium Ion Batteries, Electrochim Acta, 133, 623-630, 2014.
  12. Chaurasia S.K., Singh R.K., and Chandra S., Electrical, Mechanical, Structural, and Thermal Behaviors of Polymeric Gel Electrolyte Membranes of Poly(Vinylidene Fluoride-co-Hexafluoropropylene) with the Ionic Liquid 1-butyl-3-Methylimidazolium Tetrafluoroborate Plus Lithium Tetrafluoroborate, J. Appl. Polym. Sci., 132, 2015.
  13. Manafi P., Ghasemi I., Manafi M.R., Ehsaninamin P., and Hassanpour Asl F., Non-isothermal Crystallization Kinetics Assessment of Poly(lactic acid)/Graphene Nanocomposites, Iran. Polym. J., 26, 377-389, 2017. 
  14. Prabakaran K., Mohanty S., and Nayak S.K., Solid State Dye Sensitized Solar Cells: Eosin-Y Sensitized TiO2–ZnO/PEO–PVDF-HFP-MMT Electrolytes/MWCNT–Nafion® Counter Electrode, Ceram Int., 41, 11824-11835, 2015. 
  15. Keun Kwon I., Kidoaki S., and Matsuda T., Electrospun Nano- to Microfiber Fabrics Made of Biodegradable Copolyesters: Structural Characteristics, Mechanical Properties and Cell Adhesion Potential, Biomaterials, 26, 3929-3939, 2005.
  16. Lee H., Yanilmaz M., Toprakci O., Fu K., and Zhang X., A Review of Recent Developments in Membrane Separators for Rechargeable Lithium-Ion Batteries, Energy Environ. Sci., 7, 3857-3886, 2014.
  17. Daux V., Prochazka F., and Carrot C., Cocontinuous Morphology in Vinylidene Fluoride Based Polymers/Poly(ethylene oxide) Blends, J. Appl. Polym. Sci., 128, 265-274, 2013.
  18. Alipoori S., Torkzadeh M.M., Moghadam M.H.M., Mazinani S., Aboutalebi S.H., and Sharif F., Graphene Oxide: An Effective Ionic Conductivity Promoter for Phosphoric Acid-Doped Poly(vinyl alcohol) Gel Electrolytes, Polymer, 184, 121908, 2019.
  19. Penning J.P. and Manley R., Miscible Blends of Two Crystalline Polymers. 1. Phase Behavior and Miscibility in Blends of Poly(vinylidene fluoride) and Poly(1,4-butylene adipate), Macromolecules, 29, 77-83, 1996.
  20. Kalogeras I.M. and Brostow W., Glass Transition Temperatures in Binary Polymer Blends, J. Polym. Sci., Part B: Polym. Phys., 47, 80-95, 2009.
  21. Utracki L.A. and Kanial M.R. Melt Rheology of Polymer Blends, Polym. Eng. Sci., 22, 96-114, 1982.
  22. Choi B.K. Optical Microscopy Study on the Crystallization in PEO-salt Polymer Electrolytes, Solid State Ionics, 168, 123-129, 2004. 
  23. Gomari S., Esfandeh M., and Ghasemi I., All-Solid-State Flexible Nanocomposite Polymer Electrolytes Based on Poly(ethylene oxide): Lithium Perchlorate Using Functionalized graphene, Solid State Ionics, 303, 37-46, 2017.
  24. Jeon J.D., Cho B.W., and Kwak S.Y. Solvent-Free Polymer Electrolytes Based on Thermally Annealed Porous P(VdF-HFP)/P(EO-EC) Membranes, J. Power Sources, 143, 219-226, 2005.
  25. Mohamadi M., Garmabi H., and Papila M. Conjugated Dual-Phase Transitions in Crystalline/Crystalline Blend of Pol(vinylidene fluoride)/Poly(ethylene oxide), Polym. Bull., 74, 2117-2135, 2017.
  26. Castro M., Prochazka F., and Carrot C., Cocontinuity in Immiscible Polymer Blends: A Gel Approach, J. Rheol., 49, 149-160, 2005.
  27. Saito Y., Kataoka H., Quartarone E., and Mustarelli P., Carrier Migration Mechanism of Physically Cross-Linked in Polymer Gel Electrolytes Based on PVDF Membranes, J. Phys. Chem. B., 106, 7200-7204, 2002.
  28. Sundaram N.T.K. and Subramania A., Microstructure of PVdF-co-HFP Based Electrolyte Prepared by Preferential Polymer Dissolution Process, J. Member Sci., 289, 1-6, 2007.
  29. Li Z., Su G., Wang X., and Gao D., Micro-Porous P(VDF-HFP)-Based Polymer Electrolyte Filled with Al2O3 Nanoparticles, Solid State Ionics, 176, 1903-1908, 2005.
  30. Ma T., Cui Z., Wu Y., Qin S., Wang H., Yan F., Han N., and Li J., Preparation of PVDF Based Blend Microporous Membranes for Lithium Ion Batteries by Thermally Induced Phase Separation, I. Effect of PMMA on the Membrane Formation Process and the Properties, J. Member. Sci., 444, 213-222, 2013.