电导率单位（电导率标准液对照表）

单位电导率(电导率标准溶液对照表)聚合物科学前沿

背景介绍

离子液体具有高离子电导率、高化学和热稳定性、宽电化学窗口和低蒸气压，非常适合各种类型的电池。但毕竟还是液体，会有渗漏的问题。离子液体聚合成聚合物或用离子液体改性聚合物链段可以将离子液体转化为固体，但其引以为傲的高导电性大大降低。

如果离子液体能像固体一样使用，既能保持离子液体的高电导率，又能避免泄漏的风险，岂不是再完美不过了？显然，离子液体的共价键固定不会起作用。

由于共价键不可行，离子液体可以直接包裹，于是离子凝胶应运而生。但是，材料的导电性和机械强度就像跷跷板的两端，不可能一直一起提高。很多材料的机械强度甚至不能以MPa为单位。两性离子共聚物组成的离子凝胶稍好，室温下离子电导率约为1 ms·cm-1，压缩弹性模量为几MPa。但是科学家总是在问，还有谁能做得更好？

成果介绍

佐治亚理工学院的Vladimir V. Tsukruk教授通过使用纤维素纳米晶体(CNC)和超支化聚合物离子液体(PIL)为1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺离子液体([EMIM][TFSI])打下了坚实的基础。含95wt%离子液体后，CNC/PIL

用氢键建立一个稳定的家

图1。CNC、PIL和[EMIM][TFSI]的化学结构和离子凝胶形成示意图。

图2。(a)数控机床和(b)PIL的原子力显微镜图像；c)CNC/PIL水溶液的凝胶行为；(四)中国网通/PIL的红外光谱。

为了构建能够封装离子液体的强基质，研究人员以CNC和PIL为原料，CNC长度为167±59nm，直径为6±1nm(如图2a所示)。当水溶液中PIL浓度大于1.2wt%时，它会立即胶凝。当浓度小于0.6重量%时，凝胶形成的速度减慢，如图2c所示。这是因为随着PIL的加入，CNC的分子间氢键被破坏，CNC与PIL之间形成“蓝移”氢键C-H π，导致快速凝胶化。

图3。凝胶结构示意图和原子力显微镜图像随着CNC/PIL中PIL含量的增加而变化。

由于“蓝移”氢键的形成，研究人员发现，随着PIL含量从0.3%增加到1.2wt%，凝胶中的CNC也从向列相的各向异性排列转变为各向同性网络结构，这为离子凝胶的下一步性能研究提供了基础。

压缩弹性模型高达5.6兆帕。

图4。(a)压力下CNC/PIL离子凝胶结构变化示意图；典型压缩应力-应变曲线；c)CNC/PIL离子凝胶的压缩弹性模量(e)、屈服强度(σy)和75%应变下的压缩强度(σ75%)；(d)CNC/PIL离子凝胶的离子电导率随温度的变化曲线；电导率在303和228 K时的真实部分..

首先，研究人员研究了离子凝胶的机械强度。虽然离子液体的含量高达95wt%，但离子凝胶仍然是固体。随着压力的增加，凝胶的应力在低应变(线弹性区)线性增加，在中应变(平台塌陷区)呈现平台，在高应变(致密区)急剧上升，如图4、A、b所示。

如图4c所示，凝胶在75%应变(σ75%)下的压缩弹性模量(e)和压缩强度分别比没有离子液体的样品高一至两个数量级。这是由于CNC、PIL和离子液体之间的静电相互作用，形成离子缔合并作为物理交联提高凝胶的机械强度。

随着PIL含量的增加，离子凝胶的E从0.6增加到5.6 MPa，σy也从55增加到260 kPa，σ75%达到710-830 kPa(没有PIL的凝胶只有320 kPa)。

电导率达到7.8 ms·cm-1。

为了评估离子凝胶的离子传输特性，研究人员利用宽带介电谱(BDS)在较宽的温度范围内分析了其DC电导率(如图4d所示)。发现不同PIL浓度的凝胶电导率随温度的变化曲线相似:在高温下表现出超阿伦尼乌斯行为，在离子液体结晶温度附近突然下降，在低温下表现出阿伦尼乌斯行为。无PIL的CNC凝胶的离子电导率为5.4 ms·cm-1，随着PIL含量的增加，CNC/PIL的离子电导率从5.9提高到7.8 ms·cm-1，远高于PIL(6.44×10-2 ms·cm-1)，与[EMIM][TFSi](∑)相当，这一结果说明凝胶的高电导率来源于离子液体，经CNC和PIL包覆后仍然较高。

凝胶离子电导率高的原因

图5。CNC/PIL离子凝胶形成机理示意图。

研究人员解释了CNC/PIL离子凝胶电导率高的原因:CNC、PIL和离子液体之间有许多相互作用。由于CNC和PIL带负电荷，它们之间的相互作用是通过氢键实现的(如CNC上的O-H和C-H基团与PIL咪唑环上的π+相互作用)，PIL也可以通过磺酸盐端基与咪唑阳离子的静电相互作用形成离子簇，产生物理交联；随着离子液体的加入，它们之间的相互作用更加丰富:离子液体的阳离子可以与PIL的磺酸盐相互作用，离子液体的阴离子也可以与PIL的咪唑阳离子相互作用，离子液体的阴离子也可以与CNC的C-H或O-H形成氢键。

因此，研究人员认为离子液体位于CNC/PIL界面，形成连续的离子传导网络，凝胶中丰富的纳米孔也促进了离子的快速平稳转移。

总结

以CNC、PIL和[EMIM][TFSI]为原料，研究人员通过它们之间的氢键和静电相互作用，构建了一种高强度、高离子电导率的凝胶。当PIL含量达到1.2wt%时，CNC在凝胶中形成各向同性网络结构，离子凝胶的E达到5.6 MPa，σy增加到260 kPa，σ75%达到710-830 kPa，离子电导率高达7.8 ms·cm-1。同时，材料的电导率和机械强度都有所提高，远超现有的离子液体复合材料，如下图所示。

原始链接:

onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202103083

来源:高分子科学前沿

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