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Effect of Alkyl Side Chain Length on the Lithium-Ion Conductivity for Polyether Electrolytes

侧链 烷基 电解质 锂(药物) 化学 位阻效应 离子电导率 电化学 电导率 材料科学 聚合物 高分子化学 无机化学 有机化学 电极 物理化学 内分泌学 医学
作者
Ryansu Sai,Seiko Hirata,Hiromori Tsutsumi,Yu Katayama
出处
期刊:Frontiers in Chemistry [Frontiers Media]
卷期号:10: 943224-943224 被引量:12
标识
DOI:10.3389/fchem.2022.943224
摘要

The design guidelines of polymer structure to effectively promote lithium-ion conduction within the polymer electrolytes (PEs) are crucial for its practical use. In this study, the electrolyte properties of a simple polyether having alkyl side chains with varied lengths (−(CH 2 ) m −H, m = 1, 2, 4, 6, 8, and 12) were compared and established a valid design strategy based on the properties of the alkyl side chain. Various spectro-electrochemical measurements successfully connected the electrolyte properties and the alkyl side chain length. Steric hindrance of the alkyl side chain effectively suppressed the interaction between ether oxygen and lithium-ion ( m ≥ 2), decreasing the glass transition temperature and the activation energy of lithium-ion transfer at the electrode-electrolyte interface. The strong hydrophobic interactions aligned and/or aggregated the extended alkyl group ( m ≥ 8), creating a rapid lithium-ion transport pathway and enhancing lithium-ion conductivity. A clear trend was observed for the following three crucial factors determining bulk lithium-ion transport properties along with the extension of the alkyl side chain: 1) salt dissociability decreased due to the non-polarity of the alkyl side chain, 2) segmental mobility of polymer chains increased due to the internal plasticizing effect, and 3) lithium-ion transference number increased due to the inhibition of the bulky anion transport by its steric hindrance. The highest lithium-ion conductivity was confirmed for the PEs with an alkyl side chain of moderate length ( m = 4) at 70°C, indicating the optimized balance between salt dissociability, polymer segmental mobility, and selective lithium-ion transfer. The length of an alkyl side chain can thus be a critical factor in improving the performance of PEs, including thermal stability and lithium-ion conductivity. Precise tuning of the alkyl side chain-related parameters such as steric hindrance, polarity, internal plasticizing effect, and self-alignment optimizes the polymer segmental mobility and salt dissociability, which is crucial for realizing high lithium-ion conductivity for PEs.
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