هلام أيوني

أنواع الهلام الأيوني

• الفئات غير العضوية:
• أكسيد غير فلزي (مثل SiO 2 )
• أكسيد غير فلزي وظيفي
• أكسيد المعدن
• الجسيمات النانوية المرتبطة بسائل أيوني

وفي هذا الصدد، يمكن تقسيم الهلامات الأيونية إلى فئتين رئيسيتين بناءً على المكون الرئيسي للمادة الأساسية في المركب: البوليمرية وغير العضوية. ويمكن تقسيم هاتين الفئتين الرئيسيتين إلى فئات فرعية بناءً على التركيب الكيميائي للمادة الأساسية. في التطبيقات النموذجية للهلامات الأيونية، يُفضل أن تكون مكونات المادة الأساسية عازلة كهربائيًا لفصل نقاط التلامس داخل الجهاز وتوفير التوصيل الأيوني فقط. ويؤثر اختيار المادة الأساسية على التوصيل الأيوني والخواص الميكانيكية للمادة المركبة النهائية.

الاستقرار الحراري

وعلى صعيد آخر، من المعروف أن الهلامات الأيونية قادرة على تحمل ما يزيد عن 300 درجة مئوية قبل بدء التحلل. عادةً ما تكون قدرة تحمل درجات الحرارة العالية محدودة بالسائل الأيوني الأساسي، والذي يمكن أن يتمتع بنطاق واسع من الاستقرار الحراري، ولكنه عادةً ما يكون مستقرًا حتى 250 درجة مئوية على الأقل. درجة مئوية. وقد استُغلت هذه الثباتية العالية في درجات الحرارة لتشغيل خلايا بطاريات الليثيوم أيون على نطاق المختبر حتى 175 °C، وهو ما يتجاوز بكثير قدرات الإلكتروليتات التجارية الحالية.

إطار معدني عضوي

• المواد المقاومة للحرارة (مثل نتريد البورون)
• الفئات البوليمرية:
• بولي (أكسيد الإيثيلين)
• بولي (ميثيل ميثاكريلات)
• بولي (فلوريد الفينيليدين)

الخواص الميكانيكية

وفي السياق ذاته، يلعب تركيب المادة المركبة دورًا كبيرًا في تحديد الخواص الميكانيكية النهائية للمادة. وينطبق هذا بشكل خاص على المواد المركبة غير العضوية. وقد أظهرت الكثير من التجارب المخبرية اتجاهًا عامًا مفاده أن صغر حجم جزيئات المادة المركبة يؤدي إلى زيادة معامل التخزين بمقدار عدة مراتب. يُعزى ذلك إلى ارتفاع نسبة مساحة السطح إلى الحجم لجزيئات المادة المركبة، وزيادة تركيز التفاعلات النانوية بين الجزيئات والسائل الأيوني المُثبَّت. كلما زادت قوى التفاعل بين مكونات المادة المركبة الهلامية الأيونية، زادت القوة اللازمة للتشوه اللدن، وبالتالي زادت صلابة المادة بشكل عام.

إضافةً إلى ذلك، تكمن إحدى درجات الحرية الأخرى في تصميم الهلام الأيوني في نسبة المادة الأساسية إلى السائل الأيوني في المركب النهائي. فمع ازدياد تركيز السائل الأيوني في المادة الأساسية، تصبح المادة أكثر سيولة بشكل عام، مما يؤدي إلى انخفاض معامل التخزين. وعلى العكس، فإن انخفاض التركيز يُقوّي المادة عمومًا، وقد يُولّد، اعتمادًا على مادة المادة الأساسية، استجابة إجهاد-انفعال أكثر مرونة أو هشاشة. أما المقايضة العامة لانخفاض تركيز السائل الأيوني فتتمثل في انخفاض لاحق في الموصلية الأيونية للمركب ككل، مما يجعل التحسين ضروريًا للتطبيق المحدد.

وفي هذا السياق، نظرًا لتنوع الهلامات الأيونية، تتفاوت الخصائص الميكانيكية لهذه الفئة الواسعة من المواد بدرجة كبيرة. غالبًا ما تُصمم الخصائص الميكانيكية خصيصًا لتناسب التطبيق المطلوب. التطبيقات التي تتطلب مرونة عالية تستهدف مادة أساسية عالية المرونة مثل البوليمر المتشابك. توفر هذه الأنواع من المواد المطاطية درجة عالية من الإجهاد المرن مع استعادة كاملة، وهو أمر مرغوب فيه في الأجهزة القابلة للارتداء التي ستتعرض للعديد من دورات الإجهاد خلال عمرها الافتراضي. علاوةً على ذلك، يمكن لهذه الأنواع من المواد أن تحقق إجهاداً يصل إلى 135% عند الفشل، مما يشير إلى درجة من الليونة. أما التطبيقات التي تتطلب هلامًا أيونيًا عالي القوة، فغالبًا ما تستعمل مادة أساسية حرارية لتوليد تقوية مركبة. يُعد هذا الأمر مرغوبًا فيه بشكل خاص في تطبيقات بطاريات الليثيوم أيون، والتي تسعى إلى منع نمو التشعبات الليثيومية في الخلية، والتي قد تؤدي إلى حدوث قصر داخلي. وقد ُثبتوجود علاقة في بطاريات الليثيوم أيون بين الإلكتروليتات الصلبة القوية ذات معامل المرونة العالي والحد من نمو التشعبات الليثيومية. وبالتالي، يمكن لمركب الهلام الأيوني القوي أن يحسن من عمر بطاريات الليثيوم أيون من خلال تقليل حالات فشل الدائرة القصيرة الداخلية.

من جانب آخر، غالبًا ما تُقاس مقاومة التدفق المرنة للهلامات الأيونية باستخدام مطيافية الميكانيكا الديناميكية. تكشف هذه الطريقة عن معامل التخزين ومعامل الفقد، اللذين يحددان استجابة الإجهاد والانفعال للهلام. تقع جميع الهلامات الأيونية في نطاق الحالة شبه الصلبة إلى الصلبة، مما يشير إلى أن معامل التخزين أعلى من معامل الفقد (أي أن السلوك المرن يسود على السلوك السائل المُبدد للطاقة). يحدد مقدار معامل التخزين ونسبته إلى معامل الفقد قوة ومتانة المادة المركبة. تتراوح قيم معامل التخزين للهلامات الأيونية من نحو 1.0 كيلو باسكال للمصفوفات البوليمرية النموذجية إلى قرابة 1.0 ميجا باسكال للمصفوفات الحرارية.

التطبيقات

علاوةً على ذلك، استُخدمت الهلاميات الأيونية في الكثير من أنظمة الأجهزة الكهربائية، مثل المكثفات كمواد عازلة، وكعوازل لترانزستورات تأثير المجال، وكإلكتروليتات لبطاريات الليثيوم أيون. يُعدّ الشكل الصلب والمرن للهلاميات الأيونية جذابًا للأجهزة المحمولة الحديثة، مثل الشاشات القابلة للتشكيل، وأنظمة مراقبة الصحة، وبطاريات الحالة الصلبة. وبالنسبة لتطبيقات بطاريات الحالة الصلبة تحديدًا، توفر اللزوجة العالية للهلاميات الأيونية قوة كافية للعمل كإلكتروليت وفاصل بين المصعد والمهبط. إضافةً إلى ذلك، يُفضّل استخدام الهلاميات الأيونية في تطبيقات البطاريات، حيث يُتيح التدفق المرن اللزج للهلام تحت الضغط تلامسًا عالي الجودة بين القطب والإلكتروليت، مقارنةً بالإلكتروليتات الصلبة الأخرى.

بولي (إيثيلين جلايكول) ثنائي أكريلات

علاوةً على ذلك، على الرغم من أن هذه الأنواع الفرعية من الهلامات الأيونية تُصنّف الكثير من المواد ضمن هذه الفئة الواسعة، إلا أنه لا تزال هناك مواد هجينة تقع خارج هذه التصنيفات. وعُرضت أمثلة على الهلامات الأيونية التي تحتوي على مواد بوليمرية وغير عضوية لتوفير المرونة والقوة في المركب النهائي.

بولي (أكريلونيتريل)