Penyediaan dan pencirian elektrolit polimer gel nanokomposit (BMIM-BF4) - (PVDF-HFP) berpengisi in-situ modifikasi permukaan silika/titania/zirkonia yang disinar alur elektron bagi aplikasi bateri litium

Abstract

Elektrolit polimer gel (GPE) dianggap sebagai alternatif yang berpotensi untuk elektrolit cecair tradisional. Dengan penyebaran pengisi nanometer dalam GPE, ia terbukti dapat meningkatkan sifat elektrolit seperti mengurangkan kereaktifan, mengurangkan kebocoran, meningkatkan keselamatan, fleksibiliti bentuk yang lebih baik serta integriti pembuatan. Sementara itu dengan memperkenalkan sinaran alur elektron (EB), sifat elektrokimia GPE berubah dengan ketara. Dalam kajian ini, elektrolit polimer gel nanokomposit (EGPNK) terdiri dari (BMIM-BF4) dan (PVDF-HFP) dalam nisbah 90:10 sebagai elektrolit asas dalam kajian ini akan ditambahkan dengan pengisi seramik bersaiz nanometer (silika, titania dan zirkonia) melalui proses gel sol in- situ. Modifikasi permukaan pengisi seramik dengan menggunakan viniltrietoksisilana (VTES) pada pelbagai peratus berat (10-40 % bt. bagi sistem silika dan titania serta 2-8 % bt. bagi sistem zirkonia) juga dikaji dalam EGPNK ini. Ketiga-tiga sistem EGPNK ini kemudian ditambahkan dengan peratusan garam LiClO4 yang berbeza (5-20 % bt. bt.) dan didedahkan kepada dos sinaran alur elektron yang berbeza (5-20 kGy). (BMIM-BF4)-(PVDF-HFP)-30 % bt. TEOS-VTES, (BMIM-BF4)-(PVDF-HFP)-20 % bt. TIP-VTES dan (BMIM-BF4)-(PVDF-HFP)-4 % bt. ZrP-VTES yang mengandungi 10 % bt. LiClO4 dan disinarkan 10 kGy EB memberikan ciri morfologi yang terbaik. Taburan partikel secara berkumpulan berubah menjadi taburan partikel lebih sekata apabila EGPNK diperkenalkan dengan sinaran EB. Keseragaman taburan partikel silika, titania dan zirkonia dalam matriks EGPNK dapat diperhatikan melalui ujian mikroskopi imbasan elektron sementara saiz pengisi yang terhasil adalah di bawah 100 nm ditunjukkan melalui analisis mikroskopi transmisi elektron. Penambahan pengisi yang berlebihan mengakibatkan gangguan ke atas taburan partikel dan seterusnya aglomerasi berlaku. Perubahan anjakan puncak yang diperhatikan adalah kumpulan berfungsi OH pada silanol iaitu dalam julat 3500-3600 cm-1 dan regangangan simetri B-F dalam julat 1000-1050 cm-1. Hasil modifikasi permukaan yang berlaku mendapati, tiga puncak B-F simetri teranjak ke nombor gelombang yang lebih tinggi, menunjukkan bahawa ion BF4- telah membantu VTES semasa proses kondensasi untuk membentuk rangkaian pengisi dalam EGPNK ini. Perubahan anjakan pada julat 3500-3600 cm-1 selepas EGPNK disinarkan dengan EB menunjukkan EGPNK lebih aktif untuk berinteraksi yang mana menyokong peningkatan kekonduksian ion pada EGPNK tersebut. Analisis termogravimetri menunjukkan bahawa EGPNK stabil pada satu peringkat degradasi iaitu 493.4 oC hingga 525.9 oC, 486.4 oC hingga 527.9 oC dan 473.8 oC hingga 488.4 oC masing-masing bagi sistem zirkonia, titania dan silika. Kekonduksian ion optimum dicapai pada 10 kGy dengan nilai 5.63 × 10-1 S cm-1 bagi sistem zirkonia, 1.35 × 10-1 S cm-1 bagi sistem titania dan 1.23 × 10-2 S cm-1 bagi sistem silika. Kemerosotan kekonduksian yang berlaku bagi penyinaran EB melebihi 10 kGy disokong dengan ciri morfologi EGPNK tersebut. Kestabilan elektrokimia EGPNK ini berada dalam lingkungan 5.5 hingga 7.2 V. Jumlah pemindahan ion dan kation EGPNK ini juga menunjukkan jumlah pemindahan ion yang tinggi dengan nilai tLi + ~ 0.61, ~ 0.52, dan ~ 0.49 untuk zirkonia, titania dan sistem silika. Jejak voltan menunjukkan potensi interkalasi/diinterkalasi sistem zirkonia, titania dan silika adalah 0.70 V, 0.62 V dan 0.59 V. EGPNK (BMIM-BF4)-(PVDF-HFP)-4 % bt. ZrP-VTES-10 % bt. LiClO4 disinarkan 10 kGy memberikan ciri elektrolit terbaik bagi aplikasi bateri litium.