1
ستاد ویژه توسعه فناوری نانو Iran Nanotechnology Initiative Council بستن
  • ستاد ویژه توسعه فناوری نانو

  • بانک اطلاعات شاخص های فناوری نانو

  • سایت جشنواره فناوری نانو

  • سیستم جامع آموزش فناوری نانو

  • شبکه آزمایشگاهی فناوری نانو

  • موسسه خدمات فناوری تا بازار

  • کمیته استانداردسازی فناوری نانو

  • پایگاه اشتغال فناوری نانو

  • کمیته نانو فناوری وزارت بهداشت

  • جشنواره برترین ها

  • مجمع بین المللی اقتصاد نانو

  • اکو نانو

  • پایگاه اطلاع رسانی محصولات فناوری نانو ایران

  • شبکه ایمنی نانو

  • همایش ایمنی در نانو

  • گالری چند رسانه ای نانو

  • تجهیزات فناوری نانو

  • صنعت و بازار

  • باشگاه نانو

ژل ها و انرژی؛ بخش دوم: ژل‌های پلیمری، یونی و معدنی

افراد مقاله : ‌ مترجم - آرمین شماعی زاده

موضوع : علم و پژوهش کلمات کلیدی : ژل - انرژی تاریخ مقاله : 1396/12/19 تعداد بازدید : 734

در بخش اول این مقاله، ژل‌های مبتنی بر گرافن معرفی شدند و کاربردهای آنها در حوزۀ ابرخازن‌ها و باتری‌های معرفی شد. در ادامۀ مقاله، روش‌های سنتز و کاربردهای چند نوع ژل دیگر در حوزۀ انرژی مرور می‌شود. این موارد عبارتند از ژل‌های پلیمری رسانا، ژل‌های رسانای یونی و ژل‌های معدنی.

 

3- ژل‌های پلیمری رسانا و کاربرد آن‌ها در حوزه انرژی
پلیمرهای رسانای مختلفی از جمله پلی استیلن (PA)، پلی آنیلین (PANI)، پلی پیرول (PPy)، پلیتیوفن (PTh) و پلی(پی-فنیلن وینیلن) (PPV)، ساخته شده اند و به خاطر ویژگی های مشترک رساناهای آلی و مواد پلیمری در طیف وسیعی از برنامه های کاربردی، مانند تبدیل و ذخیره سازی انرژی، الکترونیک انعطاف پذیر، و دستگاه های زیست پزشکی، مورد استفاده قرار می گیرند.

برخلاف فلزات و نیمه هادی های غیرآلی، یک پلیمر رسانا می تواند الکترون ها را به وسیله زنجیره های پیوندی π و فرآیند دوپینگ که از واکنش های اکسایش-کاهش شیمیایی یا الکتروشیمیایی حاصل می شود، انتقال دهد. رسانایی آن ها از طریق اصلاح ساختارهای مولکولی، سطح دوپینگ و نظم مولکولی قابل تنظیم است. پلیمرهای رسانا خواص مکانیکی شبیه به مواد پلیمری معمولی دارند و می‌توانند از طریق فرآیند های مختلف و در ساختارهای متنوع ساخته شوند. ژل های پلیمری رسانا در تبدیل ذخیره سازی انرژی چندین مزیت دارند: 1. یک چارچوب رسانای الکتریکی یکپارچه برای تقویت انتقال الکترون ها فراهم می کنند؛ 2. با داشتن منافذ میکرو و مزو در ماتریس های پلیمری پخش یون ها و مولکول ها را تسهیل می کنند؛ 3. با داشتن مساحت سطح بالا، سطح موثر بین زنجیره های مولکولی و الکترولیت را برای واکنش های اکسایش-کاهش گسترش می دهند؛ 4. ساختار متخلخل ژل های پلیمری رسانا می تواند به جایابی سویه های القا شده با تغییر حجم در طی واکنش های الکتروشیمیایی، کمک کند. 5. خواص مکانیکی سودمند، از جمله استحکام و کشسانی بالا، امکان استفاده از آن ها برای ساخت دستگاه های سبک و انعطاف پذیر را فراهم می کند.

 

3-1- سنتز ژل‌های پلیمر رسانا
 به طور معمول، ژل های پلیمری رسانا با استفاده از روش های الگومحور ساخته می شوند که در آن از الگو های پیش ساخته یا محلول های پلیمری استفاده می شود. خلاصه ای از این روش ها در مقالات مشابه آورده شده است. اگرچه ژل های پلیمری رسانای سنتز شده با استفاده از روش های الگومحور شامل اجزای رسانا و غیررسانا که ممکن است منجر به نقص در خواص الکتریکی آن ها در طول زمان و محدود کردن قابلیت جذب آن ها شود.

برای غلبه بر مضرات ساخت الگومحور، یک روش ساخت جدید برای سنتز ژل های پلیمری رسانا پیشنهاد شده است که در آن مولکول هایی با گروه های عاملی متعدد به عنوان اتصال دهنده ها استفاده می شوند (شکل 7A-7C). هر یک از این مولکول های اتصال دهنده می تواند با پروتون دار کردن گروه های نیتروژنی، با بیش از یک زنجیره پلیمری رسانا ارتباط برقرار کنند. در نتیجه با اتصال پلیمرهای زنجیره ای یک شبکه هیدروژل ایجاد شده که به عنوان یک دوپینگ نیز عمل می کند. هیدروژل های PANI و PPy با استفاده از مولکول های اتصال دهنده ای مانند اسید فیتیک و (CuPcTs) با موفقیت سنتز شده اند.

 ژل های پلیمری رسانای حاصل، هم هدایت الکتریکی بالا و هم هدایت یونی بالا دارند، زیرا چارچوب سه بعدی برای انتقال الکترون پلیمرهای عایق ندارد و ساختار تخلخل ها موجب توزیع بهتر یون های الکترولیت می شوند. علاوه بر این، طبیعت این شبکه ی پلیمری ممکن است اتصال های اضافی بین زنجیره های پلیمری و فاز محلول را فراهم کند که منجر به تعداد بیشتری سایت های واکنش های فعال می شود.

خواص شیمیایی و فیزیکی ژل های پلیمری رسانای دارای اتصالات دوپینگ، قابلیت تنظیم است. ریزساختار یک ژل پلیمری رسانا و خواص مکانیکی مشتق شده از آن را می توان با کنترل حلال ها و نسبت مونومرهای پلیمری به اتصالات تنظیم کرد. برای مثال، به کمک سنتز سطحی و با استفاده از یک حلال آلی و آب می توان یک میکروساختار کروی توخالی ایجاد کرد (شکل 7D-7F).

با تغییر پارامترهای ریزساختار مانند قطر میکروکره، پراکندگی اندازه و ضخامت پوسته، با استفاده از حلال های آلی مختلف و تغییر نسبت مونومرهای پلیمری به اتصال دهنده ها، می توان ژل های پلیمری رسانا با انعطاف پذیری بسیار بالا به دست آورد. همچنین ریزساختار های ژل های پلیمری رسانا را نیز می توان با ساختار مولکولی و هندسی مولکول های دوپ شونده مختلف تعیین کرد.

 یک ژل PPy با ساختار فیبرهای متصل که با استفاده از اتصال دهنده های CuPcTs سنتز شده است. هنگامی که ایندیگو کارمین و ایندیگو کارمین دهیدراته که به ترتیب ساختار مولکولی شبیه به نیم و ربعی از مولکول CuPcTs را دارند، به عنوان اتصال دهنده ها استفاده می شوند، ژل PPy به ترتیب با نانو ساختار یک بعدی گردنبندمانند و نانوساختار گرانولی حاصل می شوند (شکل 7G-7I). مهمتر از همه، خواص الکتریکی و الکتروشیمیایی ژل های پلیمری رسانا به شدت به میکروساختارهای آن ها و دوپینگ های مورد استفاده در سنتز مربوط می شود.

 

3-2- کاربرد ژل های پلیمر رسانا در حوزه انرژی
پلیمرهای رسانا دسته مهمی از مواد با رفتار خازنی هستند که واکنش‌های مبادله الکترونی سریع و برگشت پذیری در سطح الکترودها یا نزدیک آن ها دارند، و در ابرخازن ها به طور گسترده ای استفاده می شوند. این پلیمرهای ترکیبی، از لحاظ حجمی و وزنی رفتار خازنی مناسبی در الکترولیت های مختلف غیرآبی از خود نشان داده اند و با داشتن ویژگی های مکانیکی مشابه پلیمرهای معمول، برای ساخت دستگاه های انعطاف پذیر و سبک مفید هستند. با این حال، پلیمرهای رسانای بالک طول عمر کوتاهی دارند و در طی چرخه های با نرخ بالا به سرعت فرسوده می شوند. این امر از طرفی می تواند به دلیل تغییرات حجمی است که در طول فرآیند شارژ/ تخلیه اتفاق می افتد و از طرف دیگر می تواند مربوط به کاهش رسانایی ناشی از تغییر حالت های دوپینگ باشد. برای حل این مشکلات، از ژل های پلیمری رسانا با شبکه های سه بعدی استفاده می شود، زیرا می توانند انتقال الکترون ها را تسریع کنند، مسیر های انتشار کوتاه تری برای یون های الکترولیت برای رسیدن به سطوح الکترونی فعال فراهم می کنند، و با داشتن ساختار متخلخل از تغییر حجم جلوگیری می کنند. علاوه بر این، حالت های دوپینگ ژل پلیمری رسانا به به علت پیوند شیمیایی بین مولکول های دوپینگ و زنجیره های پلیمری، پایدارتر است.

ژل های پلیمری رسانای متصل با مولکول دوپینگ عملکرد فوق العاده ای در کاربردهای ابرخازنی نشان می دهند. طبق آزمایش ها یک هیدروژل PANI در الکترولیت H2SO4 1 مولار و ظرفیت ویژه ای در حدود 480 Fg-1 در جریان 0.2 Ag-1 نشان می دهد. با توجه به ساختار رسانا و متخلخل هیدروژل PANI، این هیدروژل زمانی که جریان حدود ده برابر افزایش یافت، همچنان عملکرد بسیار عالی با افت خازنی تنها ~ 7٪ داشت. با توجه به رسانایی بهتر، مورفولوژی یک بعدی و ساختاری با تخلخل بیشتر، ظرفیت ویژه PPyدوپ شده با CuPcTs در حدود 400 Fg-1 در 0.2 Ag-1 گزارش شده است، در حالی که این مقدار برای PPy اولیه و در شرایط مشابه فقط 232 Fg-1 گزارش شده است.

ژل های پلیمری رسانا، مانند مواد پلیمری معمولی، ویژگی های مکانیکی مطلوبی از جمله کشسانی بالا و انعطاف پذیری دارند. این ویژگی ها امکان استفاده از آن ها در ابرخازن ها را میسر ساخته است. با روش سنتزی مانند سنتز سطحی، قدرت مکانیکی بالا و کشسانی حاصل از ریزساختارهای ژل های پلیمری رسانا قابل تنظیم بوده و آن ها را برای کاربرد در ابرخازن ها مناسب کرده است. این مفهوم در کار "یو" و همکارانش نشان داده شده است [60]. آن ها هیدروژل PPy را سنتز کرده و به واسطه ی کشسانی حاصل از ساختار آن، از آن به عنوان الکترود در ابرخازن های حالت جامد استفاده کردند (شکل 8A و8B). دستگاه های ساخته شده نه تنها ظرفیت ذخیره سازی انرژی بالایی با ظرفیت ویژه ی 380 Fg-1 داشتند، بلکه انعطاف پذیری قابل توجهی نیز نشان دادند. تغییر رفتار خازن حتی در حالت تحت خمش زیاد قابل چشم پوشی بود (شکل 8C). این به این دلیل است که تغییر شکل اسکلت PPy در طی خم شدن می تواند تا حد زیادی توسط فضای خالی مهار شود و هیدروژل PPy می تواند به شدت به جمع کننده جریان متصل شود.

باتری های لیتیم یون محدودیت هایی از لحاظ طول عمر و نرخ شارژ/ تخلیه دارند، اما از طرفی دارای ظرفیت ذخیره سازی بالا و بازده بالا و وزن نسبتا سبک و قابل حمل بودن از مزایای این باتری ها در مقایسه با ابرخازن ها است ؛ بنابراین، این باتری ها در بازارهای الکترونیک مصرفی غالب هستند. به علت تعامل برگشت پذیر بین یون های لیتیوم و زنجیره های پلیمری، پلیمرهای رسانا نیز از دهه 1980 به طور مستقیم به عنوان مواد الکترود آندی و کاتدی در باتری های لیتیم یون مورد استفاده قرار گرفتند. در این حوزه، "هااس" و همکارانش بررسی جامعی از فرآیندهای الکتروشیمیایی و طراحی مواد پلیمر های رسانا، برای کاربرد به عنوان الکترود ارائه کردند [62]. با این حال، پلیمرهای رسانا در حالت های کاهش یافته، معمولا پایداری و هدایت کمی دارند و این نقاط ضعف به طور جدی مانع کاربرد گسترده تر آن ها می شود.

علاوه بر استفاده از آن ها به عنوان مواد الکترود در باتری های لیتیم یون، پلیمرهای رسانا به عنوان مواد اتصال دهنده هم قابل استفاده هستند. برای به حداکثر رساندن استفاده از انرژی، هر ذره فعال در باتری باید شکل و اندازه مشخصی داشته باشد، و به جمع کننده جریان و الکترولیت جامد یا مایع متصل باشد [63]. با این حال، سیستم سنتز اتصال دهنده ی سنتی، ترکیبی دوتایی است که در آن فاز رسانا به طور تصادفی توزیع شده و مسیرهای باریک و یا تماس های ضعیف مانع دسترسی موثر به برخی از بخش های باتری می شود. بر خلاف سیستم اتصال دهنده ی معمولی، پلیمرهای رسانا می توانند به واسطه ی ویژگی های سینرژیک پلیمرهای معمولی و هادی های آلی، کارایی دوگانه داشته باشند، در نتیجه از انباشت احتمالی افزودنی های رسانا و جدا شدن لایه پلیمری در طی چرخه ها جلوگیری می شود. مهمتر از همه، ساختار شیمیایی و خواص فیزیکی/ شیمیایی پلیمرهای رسانا را می توان با اصلاح زنجیره های پلیمری تنظیم کرد. به عنوان مثال، لیو و همکارانش با استفاده از یک روش سیستماتیک که ترکیبی از سنتز شیمیایی، محاسبات کوانتومی و ابزارهای تست اسپکتروسکوپی و مکانیکی بود، توانستند یک اتصال دهنده ی پلیمری با هدایت الکترونی بالا و یکپارچگی مکانیکی طراحی کنند [64].

استفاده از ژل های پلیمری رسانا به عنوان مواد اتصال دهنده یکی دیگر از ابزارهای امیدوار کننده برای افزایش عملکرد باتری های لیتیم یون است. چارچوب بسیار رسانا و پیوسته ی ژل های پلیمری رسانا منجر به ایجاد یک اتصال الکتریکی خوب بین ذرات و یک اتصال مستقیم خوب به جمع کننده جریان می شود، که منجر افزایش نرخ می شود. منافذ سلسله مراتبی درون این الکترود ها، سطح تماس بین مواد فعال و الکترولیت را به حداکثر می رساند و انتقال یون را تسهیل می کند. به دلیل ماهیت آبدوستی هیدروژل، پلیمر می تواند به شدت به سطوح ذرات فعال متصل شود و یک پوشش یکنواخت ایجاد کند، بنابراین از تجمع ذرات فعال جلوگیری می شود. این پوشش باعث می شود هر ذره فعال در باتری به جمع کننده جریان و الکترولیت جامد یا مایع وصل شود. اخیرا هیدروژل PANI به عنوان یک ماده اتصال دهنده در باتری های لیتیم یون مبتنی بر Si (شکل8D و8E) استفاده شد. ژل PANI در محل به صورت پلیمریزاسیون ساخته شد تا یک پوشش تطبیق پذیر دوکاربردی ایجاد کند که با استفاده از پیوند های هیدروژنی و تعامل الکترواستاتیک بین PANI مثبت و اکسید سطحی با بار منفی، به سطح ذرات Si متصل شوند. ظرفیت این الکترود کامپوزیتی نانوذرات Si و PANI، در سرعت شارژ/ تخلیه 0.3-3.0 Ag-1 از 2500 mAhg-1 تا 1100 mAhg-1 متغیر است و پس از 5000 سیکل با چگالی جریان 6.0 Ag-1 حدود 91٪ ظرفیتش را حفظ می کند.

یو و همکارانش، الکترودهای نانوساختار سه­بعدی سه­گانه­ای از جنس PPy-Si-CNT ساختند که ظرفیت برگشت پذیری معادلmAhg-1 1600 و ظرفیت ذخیره­سازی بیش از 85 درصد پس از 1000 سیکل داشتند.

استفاده از نانولوله­ های کربنی، توانایی انتقال الکترون/ هدایت در چارچوب PPy را با بهبود هر دو اتصالات فیزیکی و الکترومغناطیسی بین نانوذرات سیلیسیم و چارچوب ژل پلیمری رسانا به شدت افزایش می­دهد.

بائو و همکارانش سیستم سه­گانه­ای متشکل از هیدروژل PEDOT: PSS، و نانولوله­های کربنی و نانوذرات فعال مانند TiO2 و Si می­باشد. الکترودهای مبتنی بر TiO2 به ظرفیت mAhg-1 76 رسیدند، در حالیکه الکترودهای مبتنی بر نانوذرات سیلیسیم ظرفیتی حدود mAhcm-2 2.25 داشتند.

 

3-3- چارچوب های ژل های پلیمری رسانای حاوی کربن
ژل های پلیمری رسانا به عنوان بستری برای رشد کربن گرافیتی متخلخل برای تبدیل و ذخیره سازی انرژی استفاده می شوند. در مقایسه با مواد کربنی متخلخل سنتی مانند کربن فعال، که نیاز به تخلیص گسترده ای برای حذف مقدار زیادی ناخالصی ها و استفاده از الگو برای کنترل اندازه های منافذ و اتصالات منافذ دارند؛ می توان با آنیلینگ حرارتی ژل­های پلیمری رسانا به عنوان پیش­ماده، بدون هیچ الگوی فداشونده­ای، چارچوب های کربن گرافیتی سنتز کرد (شکل 9A). چارچوب های ژل های پلیمری رسانای حاوی کربن دارای ساختارهای منفرد سلسله مراتبی و حفره هایی با اتصال مناسب هستند، که امکان دوپینگ عنصری هم­زمان با اصلاح حرارتی را فراهم می کند. به واسطه ی این خواص غیرقابل پیشبینی، چارچوب های ژل های پلیمری رسانای حاوی کربن را می توان در دستگاه های تبدیل و ذخیره سازی انرژی مورد استفاده قرار داد.

بائو و همکارانش، هیدروژل­های PANI با اتصالات عرضی فیتیک اسید را به روش آنیلینگ حرارتی تولید کردند و از این چارچوب­ها برای ساخت الکترود­های انعطاف­پذیر برای ابرخازن­های دارای میکروالگو­ها استفاده کردند (شکل 9B و 9C). اندازه نسبتا کوچک ذرات کربن، ویژگی­هایی مانند مقیاس­پذیری و انعطاف­پذیری بالا در پردازش را به همراه دارند. الیاف متصل، انعطاف پذیری مکانیکی را به دنبال دارند، که باعث افزایش جرم زیاد می­شوند.

نتایج آزمایش­ها نشان دهنده ی عملکرد الکتروشیمیایی خوب این چارچوب­ها بود، که ظرفیت‌های بالایی معادل 225 و 162 Fg-1 در چگالی جریان 0.5 و 50 Ag-1 داشتند، و پس از 10،000 سیکل در 5 Ag-1، 95٪ خاصیت خازنی باقی­مانده بود. این گروه همچنین از کربن گرافیتی متخلخل برای باتری­های لیتیم-سولفور استفاده کردند [68]. در این آزمایش ها ظرفیت مشخص بالایی به دست آمد و که به ساختار منافذ سلسله مراتبی و دوپینگ N وO نسبت داده شد، که موجب ایجاد تعامل قوی LixS می­شد که از طریق آن می‌توانست تشکیل گونه های سولفید لیتیوم را کنترل کند و در عین حال از مصرف زیاد مواد جلوگیری کند. علاوه بر باتری­های لیتیوم-یون، دای و همکارانش باتری های روی-هوایی با استفاده از کربن گرافیتی متخلخل به عنوان کاتد هوا ساختند. باتری های روی-هوای دو الکترودی اولیه پتانسیل مداربازی در حدود V 1.48، و چگالی جریانی در حدود mAcm-2 70 و چگالی توان بیشینه ای در حدود mWcm-2 55 نشان دادند، که بیانگر فعالیت کاتالیستی خوب الکتروکاتالیست بود.

اخیرا، چارچوب های کربنی به دست آمده از ژل های پلیمری رسانا، به عنوان کاتالیست در واکنشهای OER و ORR استفاده شده اند [69]. چارچوب های کربنی به دست آمده از ژل های پلیمری رسانا سایت های فعال زیادی دارند و می تواند عامل ارتباطی مناسبی بین این سایت های فعال برقرار کنند؛ مانند حفره­هایی برای آب و اکسیژن، زنجیره­های پلیمری برای پروتون­ها، و چارچوب­های کربنی برای الکترون­ها. از طرفی دوپینگ المانی را می­توان با تغییر اتصالات و پیش­ماده­های پلیمری تغییر داد.

وی و همکارانش یک شبکه کربنی سه­بعدی از یک ژل PANI را با اصلاح و آب­بندی کامل PANI در داخل NaCl با استفاده از کریستالیزاسیون، سنتز کردند [70]. این روش اصلاح شده اجازه تشکیل ساختار متخلخل با اندازه­ی مختلف منافذ، از میکرو تا مزو و مقیاس بزرگ را می­دهد. این منافذ تراکم بالایی از سایت­های فعال ORR را ایجاد می­کند که در امتداد یک مسیر انتقال جرم قراردارند که باعث رسانایی بالا، فعالیت ORR بالا و پایداری بالا در الکترولیت­های اسیدی دارند. دای و همکارانش یک ترکیب دوپینگN، P چارچوب کربنی از یک هیدروژل PANI با اتصال­دهنده­های اسید فیتیک و ترکیبات کاتالیزوری آن را سنتز کردند؛ و اثر کاتالیستی دوگانه ORR و OER نشان دادند (شکل 9D و 9E). حداقل پتانسیل بیشینه چارچوب­های کربنی دوپ شده با N وP با کربن برای ORR و OER به ترتیب V 0.44 و V 0.39 گزارش شد، که کمتر از مقدار تئوری آن­هاست.

 

3-4- چشم انداز
برای بهبود بیشتر عملکرد تبدیل و ذخیره­سازی انرژی در ژل­های پلیمری رسانا و گسترش کاربرد آن­ها، تحقیقات آینده باید در سه جهت انجام شود. اولا، استراتژی­های جدیدی باید برای کنترل ریزساختارها و مولکول­ها در ژل­های پلیمری رسانا برای بهبود خواص مکانیکی و الکتریکی آن­ها توسعه یابد. اتصالات و دوپ­شونده­های جدید باید ایجاد شوند، و اصلاحات مولکولی جدید باید صورت پذیرند تا ستون اصلی ژل­های پلیمری رسانا با اضافه کردن زنجیره­های جانبی و یا از طریق پلیمریزاسیون مشترک با سایر توالی­های پلیمری، اصلاح شود. تغییرات شیمیایی می­تواند برای خنثی کردن سطح ژل­های پلیمری رسانا و جلوگیری از واکنش­های نامطلوب و بهبود تماس­های الکتریکی و شیمیایی بین ماتریس­های پلیمری و مواد فعال استفاده شود. دوم، ژل­های هیبریدی باید بر اساس ژل­های پلیمری رسانا، برای مقابله با معایب ژل­های پلیمری رسانا و افزودن ویژگی­های جدید به آن­ها استفاده شوند. هیدروژل­هایی مانند PVA و PEG می­توانند به تقویت قدرت مکانیکی و کشسانی این مواد هیبریدی کمک کنند، در حالی که ژل­های سوپرامولکولی و پلیمرهای پاسخ­دهنده به تحریک می­توانند شبکه­های در هم تنیده­ای با ژل­های پلیمری رسانا تشکیل دهند و به این ترتیب آن ها را با عملکردهای جدیدی مانند پاسخ به تحریک، خواص خودترمیمی و سازگاری زیستی افزایش یافته همراه کند. این ژل­های پلیمری رسانای هیبریدی می توانند در زمینه­های مختلف مانند ذخیره­سازی انرژی، کاربردهای زیست­پزشکی و درک شیمیایی به طور فزاینده­ای تاثیرگذار باشند. در نهایت، مطالعات اساسی، از جمله مطالعات شبیه­سازی و مدل­سازی، و همچنین مطالعات با استفاده از تکنیک­های میکروسکوپی و طیف­سنجی پیشرفته، باید برای درک عمیق­تر ژل­های پلیمری رسانا انجام شود. بر اساس چنین مطالعاتی، تکنیک­های پیشرفته­ برای سنتز آلی و فناوری­های سنتز نوین نانویی می­توانند برای کنترل دقیق خواص الکتریکی، الکتروشیمیایی، مکانیکی و سطح ژل­های پلیمری رسانا مورد استفاده قرار گیرند.

4- کاربرد ژل­های رسانای یونی در حوزه انرژی
ژل‌های رسانای یونی، که معمولا به نام الکترولیت­های پلمری ژلی خوانده می­شوند، یکی دیگر از کلاس ژل­ها هستند که دارای شبکه­های پلیمری نارسانا هستند اما در فاز مایع یون­های متحرک دارند. حلال­های با وزن مولکولی کم، توسط پیوند شیمیایی یا نیروهای بین مولکولی فیزیکی در شبکه­های سه­بعدی قرار گرفته­اند [71]. به طور مشخص، الکترولیت­های پلمری ژلی با الکترولیت­های پلیمری جامد تفاوت دارند، زیرا نمک­ها در حلال نیستند بلکه در یک ماتریس پلیمری، مانند PEO قرار دارند [72]. الکترولیت­های پلمری ژلی اساسا با پلی­الکترولیت­ها که هدایت یونی توسط زنجیره­های پلیمری باردار ایجاد شده است، تفاوت دارند. الکترولیت­های پلمری ژلی را می­توان بر اساس روان­کننده (فاز مایع) استفاده شده، به سه دسته تقسیم کرد: الکترولیت‌های هیدروژل (با آب)، الکترولیت‌های ارگانوژل (با حلال­های آلی) و یونوژل (با مایع یونی).

الکترولیت­های پلمری ژلی به طور گسترده در دستگاه­های ذخیره­سازی انرژی مانند باتری­های لیتیم یونی و ابرخازن­ها کاربرد دارند. در مقایسه با الکترولیت­های مایع، در الکترولیت­های پلمری ژلی شبه­جامد از مشکلاتی مانند نشت الکترولیت جلوگیری می­شود. الکترولیت­های پلیمری ژلی شبه­جامد مزایای بسیاری از قبیل سهولت جا به جایی، قابلیت اطمینان بالا و دامنه وسیعی از دمای عملیات را ارائه می­دهند. در مقایسه با الکترولیت­های شیشه­ای و سرامیکی، فاز مایع در الکترولیت­های پلمری ژلی، هدایت یونی بالا (10-4-10-3 Scm-1 در دمای اتاق) را فراهم می‌کند. با ترکیبی از انعطاف پذیری عالی، قابلیت حمل و نقل آسان مانند مایع و پایداری شیمیایی و الکتروشیمیایی خوب نسبت به الکترودها، الکترولیت­های پلمری ژلی برای توسعه دستگاه‌های انرژی با هزینه­های پایین­تر، ایمنی بهبود یافته و فرایند بسته­بندی بهتر قابل استفاده هستند.

4-1- سنتز الکترولیت­های پلیمری ژلی
در مجموع، الکترولیت­های پلمری ژلی را می­توان از سه روش تهیه کرد: (1) حرارت دادن مخلوطی از یک پلیمر و یک روان­کننده برای ایجاد یک محلول و سپس خنک کردن که در آن ویسکوزیته مخلوط افزایش می‌یابد و ژل تشکیل می­شود؛ (2) مخلوط کردن مونومرها و روان­کننده­های پلیمری برای تشکیل یک محلول، و پلیمریزاسیون در محلول که به واسطه درجه حرارت، اکسیدکننده­ها، نور فرابنفش، تابش و غیره آغاز می­شود. (3) ایجاد یک شبکه پلیمری در یک روان­کننده. در این بخش، سنتز هیدروژل­های هدایت یونی، ارگانوژل­های هدایت یونی و یونوژل­های هدایت یونی مورد بحث قرار گرفته و پیشرفت­های اخیر این حوزه بررسی شده­اند.

4-2- هیدروژل
 هیدروژل نوعی از شبکه­های متصل سه­بعدی با گروه­های آبدوست در زنجیره­های اصلی یا جانبی خود است که می­تواند در آب فرو برده شود. از آن­جایی که هیدروژل­ها در آب فرو می­روند اما در آب حل نمی­شود، آن­ها دارای مقدار زیادی آب هستند اما شکل خود را حفظ می‌کنند. میزبان­های پلیمری مختلفی از جمله محصولات طبیعی مانند آگار، کیتوزان، آلژینات، ژلاتین و کاراژینان و پلیمرهای مصنوعی مانند PEO، PVA و پلی اکریلیک اسید (PAA) در هیدروژل­ها استفاده شده­اند. بر اساس ساختار فیزیکی شبکه، هیدروژل­ها به دسته­های ساختارهای بی­شکل، نیمه­کریستالی، دارای پیوند هیدروژنی، ابرمولکولی یا ترکیبات هیدروکولوییدی طبقه­بندی می­شوند. بر اساس ماهیت پلیمر، هیدروژل­ها به هیدروژل­های هموپلیمر و کوپلیمری تقسیم می­شوند [73]. هوموپلیمرها یا کوپلیمرهای آبدوست ممکن است در حالت آزاد محلول در آب باشند، اما هیدروژل­ها با وجود اتصالات کووالانسی، یونی، و یا فیزیکی غیرحلال درنظر گرفته می­شوند. هیدروژل­ها را می­توان از طریق پیوند کووالانسی یا پیوند فیزیکی ساخت، که شامل پیچیدگی­های مولکولی هستند و یا از طریق نیروهای ثانویه، از جمله پیوند یونی، پیوند هیدروژنی و یا نیروهای آبگریزی می­شوند.

هیدروژل رسانای یونی توسط محدوده پتانسیل کوچک آن که تقریبا 1.2 ولت است، و به علت تجزیه الکتروشیمیایی آب در هنگام استفاده به عنوان الکترولیت است. با این حال، در مقایسه با الکترولیت­های آلی، هیدروژل­ها ارزان، امن و برای محیط زیست بی­خطر هستند. علاوه بر این، از آن­جایی که آب رایج­ترین حلال مورد استفاده است، هیدروژل­های رسانا برای استفاده به عنوان الکترولیت­های حالت جامد بسیار مطلوب هستند.

هیدروژل­های رسانای یونی که به عنوان الکترولیت برای دستگاه­های انرژی مورد استفاده قرار می­گیرند، در بسیاری از مقالات مورد بررسی قرار گرفته­اند. در این بخش، پیشرفت­های اخیر در مورد هیدروژل­های سخت، که برای کاربرد در دستگاه­های انرژی انعطاف­پذیر و کشسان مطلوبند، بررسی شده است. هیدروژل‌های معمولی شکننده هستند، که کاربرد آن­ها را در دستگاه­های انرژی انعطاف­پذیر و کشسان محدود می­کند.

گنگ و همکارانش راهکاری کلی برای سنتز هیدروژل­های سخت با ساختن یک شبکه دوگانه ارائه کردند (شکل 10B و 10A) [74-76]. اخیرا، سوئو و همکارانش دسته­ای از هیدروژل­های شفاف و کشسان را سنتز کردند که سختی بسیار بالایی دارد، و می­تواند تا 20 برابر طول اولیه خود کشیده شوند، اگرچه حدود 90% آب دارند. این هیدروژل­ها با ترکیب دو نوع پلیمر دارای اتصالات ایجاد شده است: آلژینات با اتصالات یونی و پلی­آکریل­آمید با اتصالات کووالانسی (شکل 10F-10C). خواص مکانیکی قابل توجه این مواد مربوط به اتصال ترک­ها به وسیله شبکه­ی اتصالات کووالانسی و هیسترزیس ناشی ازباز شدن شبکه اتصالات یونی می­باشد. این گروه همچنین، هیدروژل­های رسانای یونی مبتنی بر پلی­آکریل­آمید با نمک­های کلرید مختلف تولید کردند [79و78].

گنگ و همکارانش به کمک روشی مشابه هیدروژل­های سخت را از طریق پلیمرسازی تصادفی مونومرهای دارای بار ناهمنام در اطراف نقطه تعادل بار در غلظت بالا سنتز کردند که منجر به توزیع گسترده­ی قدرت­های باند شد [80]. پیوندهای قوی به صورت اتصالات دائمی می­باشد، در حالی که پیوندهای ضعیف می­توانند شکسته شده یا بازترکیب شوند و در نتیجه هیدروژل­های سخت و ویسکوالاستیک با خواص مکانیکی چندگانه ایجاد کنند.

 

4-3- ارگانوژل­ها
از زمانی که پئولاد و پرچ الکترولیت­های ارگانوژل را در سال 1975 در باتری­های لیتیمی استفاده کردند، ارگانوژل­ها برای استفاده در دستگاه­های ذخیره­سازی انرژی بسیار مطالعه شده­اند [81]. سپس بلکور و سونی در اوایل دهه 1990 یک "باتری پلیمر لیتیوم یون" را معرفی کردند که در آن از (PVDF-HFP) به عنوان شبکه استفاده شده بود [82]. ارگانوژل یک سیستم سه گانه شامل ماتریس پلیمری، نمک و حلال‌های قطبی با وزن مولکولی کم است. ارگانوژل­ها مشابه هیدروژل­ها از اتصالات شیمیایی یا فیزیکی تشکیل می­شوند. ارگانوژل­های شیمیایی به طور کووالانسی پیوند قرار می­کنند و پلیمریزاسیون از طریق حرارت و نور شروع آغاز می­شود که غیر قابل برگشت است و باعث ایجاد نقاط اتصال پیوسته می­شود. از طرفی ارگانوژل­های دارای اتصالات از درهم تنیدگی یا کریستال شدن موضعی، با جداسازی در فاز میکروسکوپی ایجاد می­شود، که هیچ مشکلی برای رسانایی یونی ایجاد نمی­کنند.

حلال­های ارگانیک می­توانند کریستالیته پلیمر را کاهش دهند که موجب کاهش دمای انتقال شیشه (Tg) می­شود. آن­ها باید حلال خوب با ثابت دی­الکتریک بالا، فراریت کم، و امتزاج مناسب با پلیمر باشند. حلال­های آلی معمول مورد استفاده عبارتند از کربنات اتیلن (EC)، کربنات پروپیلن (PC)، کربنات دی اتیل (DEC)، کربنات اتیل متیل (EMC)، دی متیل کربنات (DMC) و دی متیل فرمامید (DMF). در بسیاری از موارد، مخلوطی از دو یا چند حلال برای رسیدن به رسانایی یونی بالاتر، ویسکوزیته پایین و محدوده پتانسیل گسترده­تر استفاده می­شود. نمک­های لیتیم یا سدیم با آنیون­های بزرگ و انرژی­های پراکندگی کوچک، مانند LiPF6، LiBF4، LiCFSO3­، LiClO4، NaClO4 و LiN(CFSO2) 2معمولا به عنوان نمک­های الکترولیتی مورد استفاده قرار می­گیرند.

پلیمر مورد استفاده به عنوان ماتریس میزبان باید پایداری بالای مکانیکی و سازگاری خوب با روان­کننده داشته باشد. رایج­ترین پلیمرهای مورد استفاده عبارتند از: PAA، PVA، PMMA، PVDF و غیره. از میان این پلیمرها PVDF به علت داشتن مزایایی مانند: (1) قابلیت پردازش خوب برای تشکیل فیلم، (2) ثابت دی­الکتریک بالا (3) Tg بالا برای بهبود پایداری حرارتی ارگانوژل، و (4) گروه­های کشنده­ی الکترونی C-F قوی که ثبات الکتروشیمیایی بالا نسبت به کاتد­ها را فراهم می­کند؛ اغلب مورد بررسی قرار گرفته است. با افزودن واحدهای هگزافلوروپروپیلن (HFP) برای تولید کوپلیمرهای Pvdf-HFP، درجه کریستالیته پایین­تر و قابلیت تورم بهتری در الکترولیت مایع قابل دستیابی است. به طور معمول، الکترولیت­های حالت جامد مبتنی بر PVDF توسط ریخته­گری ارگانوژل­ها به شکل فیلم­های بدون منافذ تهیه می­شوند که برای جذب الکترولیت و رسانایی یونی مناسب نیستند. بنابراین برای تشکیل ساختارهای متخلخل، می­توان از روش­هایی از قبیل تبدیل فاز، الکترواسپینینگ و سایر روش­های قالب بندی استفاده کرد [83-85]. به عنوان مثال، هی و همکارانش یک فرآیند تبدیل فاز برای تهیه­ی غشاهای میکرومتخلخل PVDF-HFP و با استفاده از آب به عنوان عضو غیرحلال پیشنهاد کرند.

 در این فرایند، PVDF-HFP ابتدا در محلول استون/ آب حل می­شود و سپس برای تشکیل فیلم بر روی یک صفحه شیشه­ای ریخته­گری می­شود. پس از تبخیر حلال، غشاهای میکرومتخلخل با تخلخل­های %90-70 به طور مستقیم به دست می­آیند.

 

4-4- یونوژل
یونوژل­ها در دمای اتاق حاوی یک مایع یونی (IL) به عنوان فاز مایع هستند. از آن­جا که مایع یونی خود دارای رسانایی یونی بالایی است، هیچ نمک اضافی مورد نیاز نیست. یونوژل­ها را می­توان به دو دسته تقسیم کرد: یونوژل­های فیزیکی که از طریق تعاملات ضعیف مانند پیوند­های هیدروژنی، تعاملات آیبگریزی و اتصالات کریستالی به هم متصل شده­اند، و یونوژل­های شیمیایی، که از طریق پیوند کووالانسی متصل می­شوند. یونوژل­های فیزیکی اغلب با ترکیب مایعات یونی با پلیمرها ایجاد می­شوند، که به دلیل سهولت در تنظیم مورفولوژی و خواص مواد با تغییر طول بلوک­ها و توالی­ها، یک رویکرد تطبیق­پذیر به شمار می­آید [86]. در مقایسه با ارگانوژل­ها، یونوژل­ها از مزایایی از قبیل دمای کاری بالا به دلیل فشار بخار صفر، اشتعال­پذیری و سازگاری با محیط زیست؛ برخوردارند.

 یونوژل­ها کاربردهای زیادی در حوزه انرژی، محیط زیست و کاتالیستی می­توانند داشته باشند [87،88]. بسیاری از خواص آن­ها، از جمله مورفولوژی، رسانایی یونی، مدول، ویسکوالاستیسیته و رفتار ژلاتینی را می­توان تنظیم کرد.

یامامورو و همکارانش دریافتند که یونوژل­های شامل یک شبکه PMMA تشکیل شده و (EMITFSI)به عنوان مایع یونی دارای دو مقدار Tg هستند که به طور قابل توجهی با افزایش محتوای مایع یونی مقدار آن­ها کاهش می­یابد. با استفاده از تکنیک پراکندگی شبه الاستیک نوترون (QENS)، مدل­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­هایی را ایجاد کردند که در آن روان­کننده می­تواند به دو قسمت تقسیم شود: مایع یونی که به PMMA متصل است و مولکول­های مایع یونی که دور از زنجیره­های پلیمری هستند. این دو مولفه باعث افزایش دو دمای انتقال شیشه بالاتر و پایین می­شوند. مادسن و همکارانش یونوژلی با رسانایی بالا و پایداری گرمایی مناسب را با ترکیب یک پلی­آنیون میله­ای سخت، پلی (2،2-دی سولفونیل 4،4-بنزیدین تترفتالامید) (PBDT) به عنوان شبکه پلیمری، یک مایع یونی و 1-اتیل-3-متیل ایمیدازولیم تری­فلوئورومتان سولفونات به عنوان روان­کننده؛ ساختند (شکل 11A-D) [90]. این یونوژل یک آنیزوتروپی انتقال قابل تنظیم تا 3.5 برابر، هدایت یونی بالا تا mScm-1 8، استقامت حرارتی بالا تا 300 درجه سانتیگراد و یک مدول پویای قابل تنظیم از GPa3 تا 0.03 داشت. واتانابل و همکارانش یونوژلی بر اساس یک ABA با بلوک سه­گانه خودآرایی شده و روغن­دوست (PSt-bPMMA-b-PSt, SMS) را تولید کردند [91].

در این ترکیب از یک مخلوط تتراگلایم(G4) و لیتیم بیس(تری­فلوئورو­ متان سولفونیل) آمید (LiTFSA) از به عنوان روان­کننده استفاده شده است (شکل 11F و11E ).

یونوژل­های خودآرایی شده با بلوک­های سه­گانه هدایت الکتریکی بالا و پایداری حرارتی بالایی نشان دادند. پارک و همکارانش خواص انتقال یون در یونوژل­های شامل بلوک­های کوپلیمر با مورفولوژی شبکه­ای را بررسی کردند [92]. محدود کردن و مدولاسیون رابط­محور این یونوژل­ها در این تحقیقات نشان داده شده­اند. زیرساختارهای مختلف میکرودومین­های شبکه­ای با تغییر نوع آنیون موجود در مایع­های یونی مشاهده شد. محدوده وسیعی از رسانایی نرمال شده از 0.03 تا 0.6 (مقدار تئوری 1) با جدا کردن حرکت قطعه­ای زنجیره­های پلیمری از حاصل شد. هنگامی که مایعات یونی در حوزه­های یونی با رابط­های تیز محدود شدند، مسیرهای هدایت یونی پیچیده­تری ایجاد شدند که در نتیجه رسانایی بالاتری ایجاد شد.

الکترولیت­های پلیمری ژلی در تبدیل و ذخیره­سازی انرژی

همانطور که قبلا هم اشاره شد، الکترولیت­های پلیمری ژلی دارای مزایای بسیاری در مقایسه با الکترولیت­های مایع هستند. بنابراین، الکترولیت­های پلیمری ژلی در پیل­های سوختی، سلول­­های خورشیدی، باتری­های ثانویه و خازن­های الکترومغناطیسی به طور گسترده­ای مورد استفاده قرار گرفته­اند و عملکرد بالایی در دستگاه­های الکتروشیمیایی انعطاف­پذری حالت جامد دارند.

 

4-5- ابرخازن­ها
الکترولیت­های پلیمری ژلی به ویژه الکترولیت­های هیدروژل، برای استفاده در ابرخازن­ها مورد بررسی قرار گرفته­اند.

از میان الکترولیت­های پلیمری ژلی که در ابرخازن­ها استفاده می­شود، الکترولیت‌های مبتنی بر PVA مانند PVA-H2SO4، PVA-3PO4، PVA-LiCl و PVA-KOH، به دلیل قابلیت استفاده در محدوده­ی pH وسیع، به عنوان چارچوب استفاده می­شوند.

 رفتار الکتروشیمیایی مواد الکترودهای دارای ظرفیت کاذب به شدت وابسته به ماهیت الکترولیت است. ترکیب بین الکترودها و الکترولیت­های هیدروژل مبتنی بر PVA بهینه شده است. راجاگوپلان و همکارانش از غشاهای هیدروژل­هایPVA-H2SO4 با رسانایی یونیmScm-1 45 به عنوان الکتروترولیت و نانولوله­های کربنی تک­دیواره به عنوان الکترود برای ساخته­EDLCهای انعطاف­پذیر استفاده کردند، که چگالی توان بالایی حدود 1040 کیلووات بر کیلوگرم و ثبات چرخه عالی داشت [95]. ژانگ و همکارانش با غشاهای هیدروژل PVA پتاسیم بورات را از طریق لایه­نشانی الکتریکی بر روی الکترودهای کربن فعال تشکیل دادند [96]. این غشاهای هیدروژل هم­زمان به عنوان الکترولیت و جداکننده در ابرخازن­ها عمل می­کنند و مقاومت الکتریکی پایین­تر و عملکرد الکتروشیمیایی بهتری نسبت به الکترولیت­های مایع دارند. وانگ و همکارانش از PVP به عنوان عامل تشکیل­دهنده­ی حفرات برای افزایش نسبت تورم PVA در یک الکترولیت H2SO4 و GAبه عنوان عامل اتصال­دهنده برای حل مشکلات سیالیت و پیری PVA ​​در دماهای بالا استفاده کردند [97]. وو و همکارانش یک الکترولیت­ پلیمری ژلی با وساطت اکسایش-کاهش و افزودن p-benzenediol به یک هیدروژل PVA-H2SO4 معمولی ساختند. واکنش اکسایش-کاهش p-benzenediol / p-benzoquinone و رهاسازی سریع الکترون آن در سطح مشترک الکترولیت / الکترود، کارایی الکتروشیمیایی ابرخازن با الکترودهای کربن فعال را بهبود بخشید. علاوه بر هیدروژل­های PVA، دیگر هیدروژل­هایی مانند PAA / H2SO4 و PAAK / H2SO4 و ارگانوژل­ها و یونوژل­ها بر اساس PEO، PMMA، PVP و PVDF هم در ابرخازن­ها مورد استفاده قرار گرفته­اند. به عنوان مثال، ارگانوژل­های متخلخل مبتنی بر PVDF-HFP در ابرخازن­ها استفاده شده است [99-100]. ارگانوژل­های مبتنی بر PMMA را می­توان برای جلوگیری از شکستگی، خراشیدگی و جداسازی از بستر رسانا در نانوسیم­های -MnO2 δ استفاده کرد، که منجر به پایداری چرخه­ای فوق­العاده­ای تا 200،000 چرخه می­شود [101]. یک یونوژل بر اساس کوپلیمر سه­گانه (PS-PEO-PS) و مایع یونی 1-ethyl-3-methylimidazolium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide [EMIM] [NTf2 به عنوان جدا­کننده و الکترولیت برای ابرخازن­های انعطاف­پذیر حالت جامد مورد استفاده قرار گرفته است [102].

 به علت افزایش علاقه به دستگاه­های الکترونیکی قابل حمل و قابل پوشیدن، نیاز فوری به ایجاد دستگاه­های ذخیره­سازی انعطاف­پذیر، کشسان و قابل جاسازی وجود دارد که در آن GPEscan نقش بسیار مهمی بازی می‌کند. ها و همکارانش، یک آرایه کشسان و قابل تنظیم از میکروابرخازن­ها (MSCs) با پتانسیل پایداری بین V 1/2 تا 0 ساختند. این میکروابرخازن­ها بیش از 85 درصد ظرفیت اولیه خود را برای دو هفته حفظ کرده و در هوای محیط بدون کپسوله کردن حفظ می­کند [103]. میکروابرخازن­ها می­توانند به صورت خشک بر روی بسترهای Ecoflex شکل­پذیر انتقال داده شده تا آرایه­های 4 × 2 ایجاد کنند که عملکرد الکتروشیمیایی پایداری را تحت خم شدن، چرخاندن، و کشش داشته باشند. افزودن نانوذرات به الکترولیت­های پلیمری ژلی می­تواند مقاومت مکانیکی را افزایش داده و بنابراین استفاده از آن­ها در دستگاه­های کشسان را آسان­تر کند. لوح و همکارانش سه راهکار برای ترکیب نانوذرات با هیدروژل ارائه کردند: (1) تثبیت نانوذرات معدنی یا پلیمری بر روی هیدروژل­های میکرو یا نانومقیاس. (2) بی­حرکت کردن نانوذرات در یک ماتریس هیدروژل از طریق تعاملات غیرکووالانسی و (3) بی­حرکت کردن از طریق تعاملات کووالانس [104]. اخیرا ژی و همکارانش، الکترولیت هیدروژلی کشسان و خودترمیم­شونده­ای سنتز کردند که در آن PAA با اتصالات پیوند هیدروژنی و نانوذرات سیلیکا وینیل هیبرید وجود داشتند (شکل 12A-D) [105]. این هیدروژل با استفاده از محلول H3PO4 به عنوان روان­کننده رسانایی یونی حدود mScm-1 7 داشت. این هیدروژل می­تواند تا 3700% کشیده شده بدون این که ترک بخورد و می­تواند به راحتی خود را در دمای اتاق بدون هیچ گونه کاهش در رسانایی یونی ترمیم کند. ابرخازن ساخته شده با استفاده از این هیدروژل و الکترودهای کاغذی لایه­نشانی شده با نانولوله­های کربنی و PPY، بعد از 20 چرخه شکست/ترمیم، بازده خودترمیم­شوندگی در حدود 100% و کرنشی در حدود 600% داشتند.

وانگ و همکارانش ژل­های سختی تهیه کردند که شامل چهار جزء بودند: 1-اتیل-3-متیل ایمیدازولیوم کلرید (EMIMCl)، پلی (هیدروکسی اتیل متاکریلات) (PHEMA)، کیتوزان و آب (شکل 12E-I) [106]. ژل شدن فیزیکی سخت EMIMCl به پیوند هیدروژنی بین گروه هیدروکسیل­ها در هیدروکسی­اتیل متاکریلات (HEMA) و گروه­های آمین کیتوزان و گروه­های ایمیدازولیوم در حلال مربوط می­شود. این ژل می­تواند بین 5 تا 50 درصد وزنی آب را در برگیرد در حالی که استحکام آن کاهش اندکی داشته و رسانایی یونی آن افزایش چشمگیری دارد.

 

4-6- باتری­های یون لیتیوم
باتری­های یون لیتیوم در طول دو دهه گذشته، به عنوان منابع انرژی در لوازم الکترونیکی مصرفی مانند تلفن­های همراه و لپ­تاپ­ها به طور گسترده­ای مورد استفاده قرار گرفته­اند. آن­ها همچنین به عنوان منابع قدرتمندی برای استفاده در وسایل­نقلیه الکتریکی و دستگاه­های ذخیره­سازی برای منابع انرژی متناوب مانند انرژی باد و خورشید مورد استفاده قرار می­گیرند. با این حال، استفاده از الکترولیت­های مایع آلی در این باتری­ها می­تواند منجر به نگرانی­های امنیتی شدید، از جمله خطرات نشت، آتش­سوزی و حتی انفجار شود. الکترولیت­های مبتنی بر ارگانوژل­ها جایگزین­هایی برای الکترولیت­های مایع آلی هستند، زیرا آن­ها دارای رسانایی یونی قابل مقایسه، محدوده­های پتانسیل گسترده، سازگاری خوب با الکترودها و پایداری حرارتی بالا هستند. مقالات مروری بسیاری استفاده از ارگانوژل­ها در باتری­های یون لیتیم را بررسی کرده­اند [72،107،108].

پیشرفت‌های قابل توجهی در قدرت مکانیکی، هدایت یونی، و پایداری الکتروشیمیایی و حرارتی از زمان معرفی اولین ارگانوژل­ها در باتری­های یون لیتیم صورت گرفته است. استراتژی­های بهبود در این راستا عبارتند از: افزودن نانوذرات، کوپلیمریزاسیون، پیوند شیمیایی و ترکیب کردن. افزودن نانوذرات معدنی با مساحت سطح بالا، مانند SiO2، TiO2، و Al2O3 به الکترولیت­های پلیمری ژلی باعث افزایش قدرت، هدایت یونی و سازگاری با الکترود­ها می­شود [109،110]. به عنوان مثال، کیم و همکارانش، نانوذرات SiO2 عامل­دار شده با متاکریلات یا وینیل را به غشاهای PAN اضافه کردند [111،112]. گروه متاکریلات در نانوذرات SiO2 با ژل­کننده سه(اتیلن گلیکول) دی­آکریلات، یک کامپوزیت الکترولیت پلیمری ژلی دارای اتصالات تشکیل دادند، که هدایت یونی بالا و خواص سطح مطلوبی داشت. سلول­های LiNi0.8Co0.15Al0.05O2-گرافیت با الکترولیت پلیمری ژلی دارای اتصالات PAN-SiO2، ظرفیت تخلیه الکتریکی بالا و طحی مطلوب با استفاده از شبکه ای با افزایش پایداری حرارتی ظرفیت نگهداری و تخلیه بالایی در هر دو دمای محیط و درجه حرارت بالا داشت (شکل 13A-D). با جایگزین کردن نانوذرات SiO2 غیر متخلخل در الکترولیت پلیمری ژلی با نانوذرات مزومتخلخل SiO2 عاملدار شده با متاکریلات (MA)، سلول LiNi1 / 3Co1 / 3Mn1 / 3O2-گرافیت حاصل شده، می­تواند توانایی بهتری داشته باشد، زیرا الکترولیت پلیمری ژلی مبتنی بر MA-SiO2 برای انتقال یون لیتیم و برقراری تماس مناسب با الکترود موثرتر می­باشد (شکل 13E-G).

پیوند شیمیایی نیز یک روش قدرتمند برای بهبود خواص مکانیکی الکترولیت پلیمری ژلی است. به عنوان مثال، PVDF-HFP برای افزایش پایداری حرارتی و بُعدی از طریق پخت حرارتی یا تابش Co ، اتصالات پلی­اتیلن­گلیکول­دی­متاکریلات (PEGDMA) و یا تری­متیل­پروپان­تری­آکریلات (TMPTA) گرفته است [99،113]. مقاومت مکانیکی و / یا هدایت یونی یک الکترولیت پلیمری ژلی را می­توان با افزودن یک پلیمر اضافی در شبکه اصلی تنظیم کرد. یانگ و همکارانش یک ارگانوژل شبکه پلیمری نیمه­متقابل بر اساس یک شبکه دارای اتصالات قوی (PEGDA-co-PVC) با یک پلیمر PVDF-HFP خطی تولید شده با تابش نور فرابنفش ساختند [114]. این ارگانوژل مبتنی بر شبکه پلیمری نیمه­متقابل، در مقایسه با الکترودهای فلزی، سختی و انعطاف­پذیری بالا، و پایداری حرارتی و ثبات عالی دارد. همچنین، به کمک کوپلیمریزاسیون می­توان خواص ذاتی شبکه پلیمری را از طریق معرفی مونومرهای با ویژگی­های مختلف تنظیم کرد.

 خواص سطح مشترک بین الکترولیت­ها و الکترود­ها در باتری­های لیتیوم در عملکرد آن­ها، به خصوص در انواع جدیدتر باتری­های لیتیوم، مانند باتری­های اکسایش-کاهش فعال، باتری­های بر پایه­ی مواد آلی، باتری‌های Li-S و باتری­های Li-O2، بسیار مهم است. الکترولیت­های پلیمری ژلی به دلیل حالت شبه جامد و ساخت قابیت استفاده در این زمینه را دارند. به عنوان مثال، یک ارگانوژل مبتنی بر PMA / PEG-LiClO4 / DMSO به عنوان الکترولیت برای باتری­های یون لیتیم با کاتد دارای ترکیبات کربنیل آلی کالیج (کالیکس [4] کوینین، C4Q) استفاده شده است که در آن واکنش­های چند الکترونی برقرار شده است [116]. هاموند و همکارانش، پایداری PAN، PVC، PVDF، PVDF-HFP و PVP درحضور Li2O2 که یکی از محصولات اصلی باتری­های Li-O2 است، بررسی کردند [117]. لی و همکارانش یک ارگانوژل مبتنی برPVDF-HFP را با 50 درصد وزنی پودر Al2O3 برای استفاده به عنوان لایه محافظ کامپوزیت (CPL) برای یک فویل لیتیمی انتخاب کردند [118]. با استفاده از یک راهکار یکپارچه­سازی که ترکیبی از الکترولیت دارای فرآیند اکسایش-کاهش با یک آند لیتیمی محافظت شده با CPL، این گروه باتری­های Li-O2 با ثبات پایداری سیکلی بالاتر وبهره­وری بالاتر در طی چرخه ساختند. همچنین با توجه به اینکه باتری­های لیتیوم، از جمله Li-S و Li-O2 که در آن­ها لیتیم فلزی به عنوان آند استفاده شده است، به علت رشد دندریت­های لیتیم مشکلات ایمنی جدی دارند [119]. انتظار می­رود این مشکل با استفاده از الکترولیت­های جامد حل شود. با دانستن این موضوع که رسانایی یونی الکترولیت­های حالت جامد معمول، ملزومات ضروری را ندارند، الکترولیت­های پلیمری ژلی با قدرت مکانیکی افزایش یافته می­تواند گزینه­ی مناسبی باشد. به عنوان مثال، گزارش شده است که با افزودن نانوذرات SiO2 به پلی (لیتیم آکریلات)، می­تواند مانع رشد دندریت لیتیوم شود [120].

یونوژل­ها اخیرا به عنوان نوع جدیدی از الکترولیت­های پلیمری ژلی در باتری‌های لیتیومی ظاهر شدند.

ژو و همکارانش با ایجاد اتصالات بین مایع یونی ionic1-ethyl-3-methylimidazolium bis (trifluoromethylsulfonyl) ([C2C1im] [NTf2])) و یک شبکه نانولوله کربنی تک­جداره، یک یونوژل ساختند [121]. این یونوژل، به عنوان یک الکترود هوا، اجازه عبور سه­بعدی الکترون­ها، یون‌های لیتیوم و اکسیژن را می­دهد که برگشت­پذیری بالا برای استفاده در باتری­های Li-O2 را نشان می­دهد.PVDF-HFP مخلوط شده با PMMA به عنوان شبکه برای یونوژل حاوی 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate
(BMIMBF4 به عنوان روان­کننده استفاده می­شود [122]. مورفولوژی، تخلخل، هدایت یونی و Tg یونوژل حاصل را می­توان با تعدیل درصد PMMA تنظیم کرد. پلی­وینیل­استات (PVAc) همچنین می­تواند برای بهبود پایداری حرارتی و افزایش محدوده الکتروشیمیایی یونوژل PVDF-BMIMBF4 استفاده شود [123].

 

4-7- سلول­های خورشیدی
 روش­های استحصال انرژی خورشیدی با راندمان بالا، در حال حاضر حوزه­ی بسیار فعالی در تحقیقات هستند. سلول­های خورشیدی حساس شده با رنگ (DSSCs) با راندمان تبدیل توان تا 12.3٪ تولید شده با استفاده از واسطه‌های اکسایش-کاهش I−/I3− و [Co(bpy)3]2+/3+ ساخته شده­اند [124]. با این حال، استفاده طولانی مدت از DSSC‌ها به دلیل استفاده از حلال­های آلی قابل نشت و فرار امکان­پذیر نیست. امروزه الکترولیت­های پلیمری ژلی، به علت توانایی جذب مایعات بسیار عالی و پایداری درازمدت توجه زیادی را به خود جلب کرده­اند. ارگانوژل­ها بر اساس پلیمرهای مختلف از جمله PVDF-HFP [125]، (PAN-VA) [126]، و (BEMA-PEGMA) [127] برای استفاده در DSSC گزارش شده است.

اما به دلیل محدودیت هدایت یونی الکترولیت­های پلیمری ژلی، بازده DSSC‌های حاوی الکترولیت­های پلیمری ژلی را، هنوز پایین تر از DSSC‌های حاوی الکترولیت­های مایع هستند (8٪ در مقابل ٪12)، و تلاش­های بیشتری در این جهت لازم است. هو و همکارانش یک الکترولیت­ پلیمری ژلی بر اساس یک شبکه (POE-PAI) برای DSSC‌های با الکترودهای TiO2 طراحی کردند [128]. طیف امپدانس الکتروشیمیایی نشان داد که با نسبت پلیمری بهینه شده، مقاومت کمتری نسبت به الکترولیت­های مایع می­توان برای این الکترولیت­ پلیمری ژلی متصور شد. بنابراین، بازدهی معادل 9.48٪ به دست آمد که بیشتر از بازده الکترولیت مایع (8.84٪) بود. اخیرا خان­میرزایی و همکارانش از یک مایع یونی غیرفرار (MPII) به عنوان روان­کننده استفاده کردند [129]. پس از ترکیب این مایع یونی با سلولوز هیدروکسی پروپیل (HPC)، سدیم یدید، کربنات اتیلن (EC) و پروپیلن کربنات (PC)، سیستم GPS غیرفرار تشکیل شده، هدایت یونی بالایی در حدود mScm-1 7.37 نشان داد و بازدهی آن در حدود 5.79٪ گزارش شد.

مانع دیگری که الکترولیت­های پلیمری ژلی با آن مواجه هستند، توانایی پایین­تر نفوذ آن­ها به درون ساختار­های متخلخل الکترود است. برای غلبه بر این عیب، انجام عملیات بعد از پلیمریزاسیون، پس از نفوذ مونومر به الکترود پیشنهاد شده است. با این حال، این روش نیاز به دمای بالا و یا مواد افزودنی برای ایجاد پلیمریزاسیون دارد، که ممکن است برای DSSC مضر باشد. با این حال، پارک و همکارانش [130] یک روش پس از پلیمریزاسیون برای الکترولیت­های پلیمری ژلی بر اساس انحلال کنترل شده نانوگوی­های پلی­استایرن بر روی الکترود گزارش کردند، که توانایی نفوذ را افزایش داده بود. DSSC مطلوب ساخته شده با چنین الکترولیت­ پلیمری ژلی بازدهی تقریبا یکسانی در مقایسه با DSSC مبتنی بر الکترولیت مایع از خود نشان داد، اما پایداری طولانی مدت آن بسیار بهبود یافته بود.

 

4-8- پیل­های سوختی
الکترولیت­های پلیمری ژلی به عنوان غشای الکترولیتی پلیمری (PEMs) در پیل­های سوختی، یعنی PEMFC استفاده می­شوند. در حالی که غشاهای الکترولیتی معمولی از کمبود آب رنج می­برند، هیدروژل­های دارای اتصالات جایگزین خوبی برای غشاهای الکترولیتی پلیمری به نظر می­آیند. ساهای و همکارانش یک غشای الکترولیتی پلیمری حاوی هیدروژل کیتوزان با اتصالات یونی برای پیل­های سوخت مستقیم بورو هیدرید(DBFC) با عملکرد بالا و سازگار با محیط زیست ساختند [131]. هیدروژل مبتنی بر پلی­اتیلن­ایمین با اصلاح ویولوژن به عنوان یک محافظ برای هیدروژناز در برابر غیر­فعال شدن در پتانسیل بالا و آسیب اکسیژن در پیل­های سوختی زیستی مورد استفاده قرار گرفته است [132]. ساهای و همکارانش، همچنین غشای الکترولیتی پلیمری دارای اتصالات سیلیکا-PVA و عاملدار شده با آمونیوم شده را برای استفاده به عنوان غشای مبدل آنیونی AEM)) در پیل­های سوختی مستقیم متانول (DMFCs) سنتز کردند [133]. به علت عملکرد چهارگانه گروه آمونیوم، این غشاهای مبدل آنیونی دارای نفوذپذیری متانول پایین همراه با هدایت یون هیدروکسیل mScm-1 75.7 هستند.

یونوژل­هایی با پایداری حرارتی خوب، هدایت یونی بالا و نفوذپذیری گاز، جایگزین­های مناسبی برای استفاده در جداساز در پیل­های سوختی شده­اند. به عنوان مثال، یونوژل­های مبتنی بر پلی­ایمید سولفونه و دی اتیل متیل آمونیوم تری فلئورومتان­سولفونات به عنوان یک هادی پروتون برای استفاده در الکترولیت­ها در پیل­های سوختی H2 / O2 انتخاب شده­اند که می­توانند در دمای بالاتر از 100 درجه سانتیگراد در شرایط بدون رطوبت کار کند [134].

 

4-9- چشم­ انداز
ژل­های رسانای یونی به طور گسترده­ای در دستگاه­های الکتروشیمیایی تبدیل و ذخیره­سازی انرژی استفاده شده­اند. اگر چه پیشرفت­های بزرگی در زمینه الکترولیت­های پلیمری ژلی صورت گرفته است، اما این زمینه با توجه به تقاضای رو به رشد دستگاه­های انعطاف­پذیر با تراکم انرژی بالا هنوز در معرض چالش­های قابل توجهی است. الزامات کلی برای الکترولیت­های پلیمری ژلی که برای استفاده در دستگاه­های تبدیل و ذخیره­سازی انرژی مورد استفاده قرار می­گیرند عبارتند از: (1) هدایت یونی بالا، (2) مقاومت مکانیکی خوب، (3) پایداری الکتروشیمیایی و حرارتی خوب در محدوده پتانسیل عملکرد برای الکترودهای خاص، و (4) ایمنی و قابلیت اطمینان بالا برای الکترولیت­های پلیمری ژلی استفاده شده در مقیاس بزرگ. برای بهبود این خواص، رو­ش­های مختلفی برای طراحی ساختاری و ترکیبات، از جمله افزودن نانوذرات، پیوند شیمیایی، کوپلیمریزاسیون، و ترکیب پلیمری، توسعه یافته است. با این حال، پیشرفت در قدرت مکانیکی گاهی اوقات با کاهش هدایت یونی همراه است. به همین دلیل لازم است تا بررسی‌های نظری و تجربی دقیقی برای درک بیشتر از روابط اساسی بین شبکه­های پلیمری، روان­کننده­ها و یون­های نمکی انجام شود.

در همین حال، توسعه سیستم­های جدید ژل فرصت­های جدیدی را برای استفاده از ژل­های هدایت یونی در کاربردهای انرژی ایجاد خواهد کرد. به عنوان مثال، ژل­های فرامولکولی، که با ایجاد پیوندهای غیرکووالانسی (مانند پیوند­های هیدروژنی یا پیوند­های الکترواستاتیک) به منظور جمع­آوری واحد­های سازنده کوچک و ساخت شبکه­های سفت و سخت، تشکیل می­شوند و مزایا و قابلیت­هایی از قبیل آماده­سازی سریع و تکرارپذیر و خودترمیم­شوندگی دارند. علاوه بر این، به دلیل ویژگی­های قابل تنظیم بسیار و کاربرد چند­منظوره­ی این ژل­ها، طراحی چارچوب برای به کارگیری گونه­های فعال مانند نانوذرات معدنی، گونه­های مولکولی و نانوکاتالیزورها، ویژگی­های جدید و هیجان­انگیزی را برای کاربرد در تبدیل و ذخیره­سازی انرژی ایجاد می­کند.

 

5- کاربرد ژل­های معدنی در زمینه انرژی
5-1- سنتز ژل­های غیرآلی
ساختارهای سه­بعدی مواد غیرآلی نه تنها به دلیل جالب بودن ویژگی­های درونی آن­ها، که از ابعاد کوچک آن­ها و اثرات کوانتومی بلوک­های سازنده در سطح نانو نشأت می­گیرند، بلکه به دلیل توانایی آن­ها برای ترکیب مستقیم با سیستم­های نانومقیاس مورد مطالعه قرار می­گیرند. در میان مواد معدنی دارای ساختار سه­بعدی، هیدروژل­ها / آیروژل­های معدنی متخلخل با توجه به حجم منافذ آن­ها مساحت سطح بالا، چگالی بالک کم، و رسانایی حرارتی ضعیف، برای استفاده در کاربرد­های مربوط به تبدیل و ذخیره­سازی انرژی، حسگرها، تبدیل کاتالیزوری، جذب و حذف انتخابی یا عایق حرارتی، انتخاب شده­اند. هیدروژل­ها/ آیروژل­های معدنی می­توانند به طور مستقیم به عنوان الکترودهای فعال یا کاتالیزورهای موجود در دستگاه­های تبدیل و ذخیره­سازی انرژی استفاده شوند. مساحت سطح بزرگ آن­ها باعث اتصال مناسب بین مواد فعال و الکترولیت شده و تعداد زیادی سایت فعال برای واکنش­های الکتروشیمیایی فراهم می­کنند. از طرفی، ساختارهای متخلخل آن­ها جریان الکترولیت­های مایع را تسهیل می­کند که در نتیجه باعث افزایش سینتیک واکنش­ها می­شود. چندین استراتژی سنتز برای آماده­سازی مواد ژلی غیرآلی توسعه یافته است و پیش­ماده­های بسیاری معدنی بسیاری استفاده شده است. از سل­ژل به طور گسترده­ای برای سنتز اکسید فلزی آیروژل واسطه و اصلی استفاده شده است. گاش و همکارانش، اپوکسیدها به عنوان عامل­های ژل­سازی برای سنتز ایروژل­ها به روش سل­ژل از نمک­های فلزی ساده مانند Fe3+، Al3+، In3+، Ga3+، Zr4+، Hf4+، Ta5+، Nb5+ و W6+ استفاده شده است. شکل­گیری ژل و میزان آن بستگی به محلول نمک پیش­ماده و نسبت اپوکسی و فلز و نوع اپوکسی مورد استفاده در آن دارد. نیروهای ژل­سازی عامل هماهنگی میان یون­های فلزی و تعاملات الکترواستاتیک قوی مورد استفاده در نظر گرفته شدند.

روش­های الگومحور بر اساس رسوبات سطحی یا پر کردن منافذ سطحی توسعه داده شده­اند. در مورد رسوب­­های سطحی، در ابتدا یک الگو با ساختار شبکه سه­بعدی ایجاد شده، و سپس پیش­ماده­های غیزآلی برروی سطح الگو نشانده می­شوند. در نهایت الگو حذف شده و یک ژل معدنی به وجود می­آید. وانگ و همکارانش، بلوک­های مزومتخلخل کوپلیمرهای متورم را به عنوان الگو و رسوب لایه­ی اتمی (ALD) را به عنوان روش تکرار برای تولید نانولوله­های اکسید فلزی متصل، از جمله اکسید آلومینا و اکسید تیتانیوم (شکل 14A) مورد استفاده قرار دادند [136]. شبکه­ی نانولوه­های آلومینای تهیه شده شامل سیستم­هایی با تخلخل­های متصل و تخلخل بالا (~70-90٪) و لوله­هایی با دیواره­های بسیار نازک با ضخامت کمتر از 3 نانومتر می­باشند. راس و همکارانش با استفاده از روش ALD مواد معدنی مانند TiO2 و ZnO را بر روی آیروژل­های سلولزی لایه­نشانی کردند [137]. پس از حذف سلولز از طریق کلسیناسیون، نانولوله­های توخالی آیروژل­ها با موفقیت سنتز شدند. در صورت پر شدن حفرات، می­توان ابتدا کانال­های متصل را در ماتریس ایجاد کرد و سپس در جعبه پرشدند و سپس آن را با پیش­ماده­های معدنی پر کرد تا یک شبکه متصل ایجاد کرد. رابر و همکارانش، یک فویل پلیمری برای تشکیل یک نانوشبکه­ی سه­بعدی تحت تابض قرار داده شد، و سپس با مواد مورد نظر مانند Au، Pt یا CdTe پر کردند [138]. پس از حذف ماتریس پلیمری، یک شبکه مستقل سه­بعدی از نانوسیم به دست آمد. اندازه، شکل، ترکیب، و جهت گیری نانوسیم­ها و میزان درهم­تنیدگی و پیچیدگی سه­بعدی شبکه­ها در این روش قابل کنترل است.

لو و همکارانش یک فیلم مزومتخلخل سیلیکا را بر روی یک بستر رسانا لایه­نشانی کردند، سپس کانال­های متخلخل به روش آبکاری با فلزات یا نیمه فلزات پر شدند، و در نهایت قالب سیلیکا حذف شد و یک شبکه مزومتخلخل از نانوسیم پلاتین با استفاده از این روش با موفقیت ایجاد شد.

خودآرایی بلوک­های سازنده معدنی در ابعاد نانو و ایجاد ساختار­های سه­بعدی ماکروسکوپی، یک راهبرد پایه­ای مهم پایین به بالا در تحقیقات نانو است، که شکاف بین ساختارهای تک و ساختارهای یکپارچه را برطرف می­کند.

 از میان مواد معدنی سه­بعدی خودآرایی شده، ژل­های کاربردی توجه فراوانی را به خود جلب کرده­اند، زیرا ژل­های به دست آمده معمولا ساختارهای سلسله مراتبی با کریستالیته و ترکیب ساختاری کنترل شده دارند و بنابراین می­توانند از ویژگی­های شیمیایی و فیزیکی نانومواد را در کنار خواص معمول مواد ماکرومتخلخل داشته باشند. ابعاد بلوک­های سازنده­ی نانومواد ممکن است صفربعدی، یک­بعدی و یا حتی سه­بعدی باشد. به عنوان مثال لسنیاک و همکارانش برای سرهم کردن انواع نانوبلورهای نیمه­هادی غیرآلی که از نظر الکترواستاتیکی پایدار شده­اند، از جمله CdSe، PdSe و ZnO، با اتصال آن­ها به شبکه­های ژل با یون­های مناسب ارائه کردند [140]. این مجموعه‌های سه­بعدی غیرآلی که به صورت غیرمستقیم متصل شده­اند، مورفولوژی­، ترکیبات، اندازه­ها و لیگاندهای قابل تنظیم دارند، و ساختار­های بسیار متخلخل یکپارچه آن­ها محدودیت کوانتومی آن­ها را حفظ می­کند.

با داشتن نیرو­های بین­ذره­ای قوی، ژل­ها انتقال بار بین نانوبلورها را تسهیل می­کند که در صورت استفاده از آن­ها در کاربرد­های تبدیل و ذخیره­سازی انرژی ، عملکرد آن­ها را بهبود می­بخشد.

کونگ و همکارانش هیدروژل / آیروژل­ها را از طریق سنتز هیدروترمال نانوسیم­های یک­بعدی TiO2 و MnO2 به طور مستقیم در طول فرآیند سنتز شبکه­های دارای اتصالات به دست آوردند (شکل 14B) [141]. تراکم، تخلخل و خواص این شبکه­های نانوسیم را می­توان با تنظیم غلظت اولیه پیش­ماده و زمان تلقیح آن کنترل کند.

 آیروژل­های کنترل شده، تخلخل­ها، مساحت سطح، تراکم بسیار کم (تا حد 2.9 میلی­گرم در سانتی­مترمکعب)، استحکام مکانیکی فوق العاده و الاستیسیته بالایی نشان دادند. به همین ترتیب، نانومواد دوبعدی نیز می­توانند به شبکه­های سه­بعدی تبدیل شوند. سان و همکارانش با استفاده از خودآرایی نانوصفحات دوبعدی MnO2، آیریوژل­های MnO2 با چگالی بسیار پایین ساختند (شکل 14C) [142].

سطح موثر بالای نانوصفحات دوبعدی MnO2 برای جاذبه­ی وان­دروالس برای سنتز موفقیت­آمیز آیروژل­ها ضروری است.آیروژل­های حاصل چگالی بسیار پایینی در حدود 0.53 میلی­گرم بر سانتی­متر­مکعب، توانایی اکسایش قوی و تخلخل بالایی دارند.

 

5-2- چشم­انداز
اگرچه مواد ژل با ساختارهای شبکه سه­بعدی با استفاده از مواد معدنی مختلف سنتز شده­اند و در کاربردهایی از جمله کاتالیست­ها، حذف روغن و جذب رنگ استفاده می­شود، مطالعات کمی در مورد کاربرد آن­ها در تبدیل و ذخیره­سازی انرژی گزارش شده است. علت این است که تحقیقات اولیه در مورد ژل­های معدنی به طور عمده در مواد نیمه­هادی فلزی و غیر فعال از لحاظ الکتروشیمیایی انجام شده است. با توسعه روش­های جدید سنتز و استراتژی­های اصلاح شیمیایی، مواد غیرآلی به طور موفقیت آمیز ساخته شده­اند، و ساخت آن­ها به راحتی قابل کنترل است. این ژل‌های غیرآلی پیشرفته مانند MnO2 به طور مستقیم به عنوان مواد الکترود برای ابرخازن­ها استفاده می­شوند. ژل­های غیر­آلی که در گذشته سنتز شده نیز می­توانند در کاربردهای مرتبط با انرژی استفاده شوند. به عنوان مثال، از ژل­های فلزی می­توان به عنوان الکترودهای رسانا و انعطاف­پذیر در سلول­های خورشیدی استفاده کرد. ژل­های نیمه هادی، مانند ZnO و TiO2، می­توانند به عنوان الکترود در سلول­های خورشیدی حساس به نور و به عنوان کاتالیزورهای الکتروشیمیایی استفاده شوند.

6- نتیجه­ گیری و دیدگاه­ها
مواد ژلی با عنوان یک کلاس خاص از مواد با الهام گرفتن ازمواد زیستی با ساختارها یا خواصی که از مواد طبیعی تقلید می‌کنند، هستند. این مواد می­توانند از بلوک‌های کم­بعد (خوشه­های نانوذرات صفربعدی، نانوسیم­ها یا زنجیرهای پلیمری یک­بعدی، ورقهای نانوساختار دوبعدی) و فازهای مایع برای ایجاد ساختارهای خاص استفاده شوند. فارغ از نوع بلوک­هایی که از آن­ها ساخته شده­اند، مواد ژل شبکه­های سه­بعدی منحصر به فردی دارند که خواص فیزیکی و شیمیایی منحصر به فردی در آن­ها ایجاد می­کند، و این مواد را از سایر نانومواد کم­بعد متمایز می­کند. یک ژل یک­پارچگی مکانیکی ماتریس را حفظ می­کند و یک مساحت سطح بزرگ را فراهم می­کند که تعداد زیادی سایت­های واکنش و محل قرارگیری ایجاد می­کند، و متقابلا مسیرهای انتقال را برای الکترون­ها ایجاد می­کند و منافذ سلسله­مراتبی را برای تسهیل پخش مایع و یون­ها فراهم می­کند. این ویژگی­های سودمند، مواد ژلی را برای استفاده در سیستم­های تبدیل و ذخیره­سازی انرژی، که در آن­ها انتقال الکترون­ها و یون­ها، واکنش‌های در فصل مشترک اهمیت دارد حائز اهمیت کرده است [143].

استراتژی­های مختلف سنتز برای تهیه نانومواد بر پایه ژل، از جمله ژل­های حاوی کربن، ژل­های رسانای پلیمری، ژل­های رسانای یونی و ژل­های معدنی ارائه شده­اند. این مواد ژلی به طور موفقیت­آمیز به عنوان مواد الکترود، الکترولیت­ها، کلکتورهای جریان، سیستم‌های اتصال سه­بعدی و غیره در انواع مختلف کاربردهای انرژی مانند باتری­های یون لیتیم، ابرخازن­ها، کاتالیزورها و پیل­های سوختی استفاده شده­اند.با توجه به تطبیق­پذیری ساختارهای سه­بعدی مواد ژلی، روش­های متعددی برای بهبود خواص آن­ها، از جمله رسانایی یونی/ الکترونی، پایداری ساختار، واکنش­پذیری، سازگاری و مقاومت مکانیکی انجام شده است. زنجیره­ی اصلی این ژل­ها را می­توان با ایجاد گروه­های عاملی به صورت پیوند شیمیایی بر روی سطوح آن­ها، ترکیب آن­ها با مولکول­های کاربردی و نانوذرات و/ یا معرفی شبکه دوم به ساختار آن­ها، تغییر داد. با اصلاح شیمیایی می­توان ویژگی­هایی مانند قدرت مکانیکی، کشسانی، ویژگی­های وابسته به تحریک و خواص خودترمیم­شوندگی را تغییر داد. علاوه بر این، خواص فیزیکی ژل، به ویژه خواص مکانیکی آن­ها را می­توان با تنظیم پارامترهای ریزساختارهای آن­ها، از جمله اندازه تخلخل­ها، توزیع تخلخل­ها و فاصله­ی بین بلوک­های سازنده، کنترل کرد. ژل­ها به واسطه خواص مکانیکی و ساختاری، به عنوان گزینه­هایی قوی برای تولید ابزارهای تبدیل و ذخیره­سازی انرژی انعطاف­پذیر و کشسان مورد توجه قرار گرفته­اند. مقیاس­پذیری بالا و قابلیت پردازش ژل­ها، توانایی آن­ها برای چاپ از طریق چاپگرهای جوهرافشان یا پوشش اسپری را میسر می­کند که به این ترتیب امکان ساخت و تولید مقادیر قابل توجه آن­ها در دستگاه‌های ذخیره­سازی، با قیمت پایین فراهم می­شود.

در پژوهش‌های بعدی خواص شیمیایی و فیزیکی ژل باید از طریق اصلاح سطح مولکولی و پردازش نانو دقیق­تر تنظیم و اصلاح شوند. انواع مختلفی از بلوک­های سازنده شامل نانو­مواد معدنی فعال الکتروشیمیایی، نیمه­هادی­های پلیمری و پلیمرهای یونی باید برای ساخت سازه­های سه­بعدی ژلی استفاده شوند. به غیر از مواد ژلی حاضر که معمولا از یک نوع ماده سازنده در آن استفاده می­شود، سیستم­های ژلی پیچیده­تری می‌توانند از طریق ترکیب بلوک­های سازنده مختلف مانند مواد کربن و پلیمرهای هدایت­کننده، نانومواد آلی و پلیمرهای یونی و همچنین ترکیبی از پلیمرهای مختلف ساخته شوند. این ژل­ها می­توانند ترکیبی از مزایای تک­تک ژل­ها را داشته باشند و اثرات سینرژیک به وجود آورند، و ژل­های چند­منظوره را به وجود آورند. برای به دست آوردن ویژگی­های مطلوب، این سیستم­های ژل ترکیبی، تعاملات شیمیایی و فیزیکی بین اجزای مختلف باید به خوبی کنترل شده و مولکول­های متقابل پیوند جدیدی را دارا باشند.

بر اساس خواص منحصر به فرد ژل­ها مانند انعطاف­پذیری، کشسانی، شفافیت و سازگاری با محیط­زیست انواع مختلفی از دستگاه­های جدید انرژی را می­توان توسعه داد. سلول­های خورشیدی با انعطاف­پذیری بالا و قابلیت کشسانی، باتری­ها و ابررساناها می­توانند با استفاده از ژل­های پوشش داده شده بر روی زیربناهای انعطاف­پذیر به راحتی به دست آورد. مهمتر از همه، با استفاده از ژل­های انرژی، کاربردهای دستگاه­های انرژی می­تواند به دیگر مناطق فناوری گسترش یابد. برای مثال، پوست­های مصنوعی و زسیت­سنسورهای انعطاف­پذیر را می­توان با استفاده از الکترودهای ژل و الکترولیت­ها توسعه داد. دستگاه‌های انرژی میکرو با انعطاف­پذیری و توانایی پردازش مناسب نیز می­توانند مواد ژلی ایجاد شوند.

 این دستاوردهایی که در بالا ذکر شد، به مطالعات بنیادین و تکنیک­های تشریح پیشرفته تکیه می­کنند که برای کمک به محققان در درک عمیق­تر ویژگی­های مختلف مواد ژلی از جمله روابط بین نانو و میکروساختارها و خواص مکانیکی، اثرات مونتاژ بلوک­های سازنده و شیمی سطح بر روی انتقال بار، و دینامیک الکتروشیمیایی در فصل مشترک زنجیره اصلی ژل و الکترولیت گردآوری شده­اند. به کمک تحقیقات بین­رشته­ای، ژل­هایی با بهره­وری مناسب برای تبدیل انرژی و کاربردهای ذخیره­سازی قابل دست­یابی خواهند بود.

منبع:

Shi, Ye, Jun Zhang, Lijia Pan, Yi Shi, and Guihua Yu. "Energy gels: A bio-inspired material platform for advanced energy applications." Nano Today (2016).