MARC

 008250123s2024        us                              c    eng  d
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■035    ▼a(MiAaPQ)umichrackham005421
■040    ▼aMiAaPQ▼cMiAaPQ
■0820  ▼a541
■1001  ▼aWang,  Guangyu.
■24510▼aDevelopment  of  Polymer  Based  Composite  and  Organic-Inorganic  Hybrid  Materials  for  Application  as  Single  Ion  Conducting  Solid-state  Electrolytes
■260    ▼a[Sl]▼bUniversity  of  Michigan▼c2024
■260  1▼aAnn  Arbor▼bProQuest  Dissertations  &  Theses▼c2024
■300    ▼a223  p
■500    ▼aSource:  Dissertations  Abstracts  International,  Volume:  85-12,  Section:  B.
■500    ▼aAdvisor:  Kieffer,  John.
■5021  ▼aThesis  (Ph.D.)--University  of  Michigan,  2024.
■520    ▼aThe  transition  from  liquid  to  solid-state  electrolytes  (SSEs)  for  battery  applications  offers  advantages  such  as  higher  energy  density,  enhanced  safety,  improved  stability,  and  a  solution  to  the  dendrite  growth  issue  during  charging.  Single-ion  conduction  is  pursued  to  enhance  charge  carrier  mobility  and  mitigate  electrode  degradation.  In  this  thesis,  we  explore  two  material  systems:  polymer-matrix  composites  and  organic-inorganic  silica  hybrid  materials,  with  the  aim  of  understanding  ion  transport  mechanisms  and  optimizing  material  design  for  improved  performance.In  the  poly(ethylene)  oxide  (PEO)-based  composite,  an  interfacial  region  develops  surrounding  amorphous  Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3  (LATP)  nanoparticles,  exhibiting  30  times  higher  Li+  mobility  compared  to  the  polymer  matrix.  We  achieve  uniform  nanoparticle  dispersion  through  a  water-based  in-situ  precipitation  method,  leading  to  a  20°C  conductivity  of  3.8x10-4  S·cm-1  at  a  particle  loading  of  12.5  vol%  and  a  Li+  concentration  of  1.65  nm-1.  Comparative  infrared  spectroscopy  reveals  increased  disorder  in  the  interphase  polymer,  offering  low  activation  barrier  cation  migration  pathways.  Analysis  using  a  transition  state  theory-based  approach  to  examine  the  temperature  dependence  of  ionic  conductivity  reveals  that  thermally  activated  processes  within  the  interphase  benefit  more  from  higher  activation  entropy  than  from  a  decrease  in  activation  enthalpy.  Although  lithium  infusion  from  LATP  particles  is  modest,  charge  carriers  tend  to  concentrate  in  a  space-charge  configuration  near  the  particle/polymer  interface.To  improve  Li+  transference  numbers,  electrochemical  stability,  and  mechanical  strength,  a  hybrid  design  is  pursued,  consisting  of  a  nano-porous  silica  backbone  bi-functionalized  with  the  cation  donor  2-[(Trifluoromethanesulfonylimido)-N-4-sulfonylphenyl]  ethyl  (TFSISPE)  anion  and  the  molecular  brush  2-[Methoxy(polyethyleneoxy)6-9propyl]  trimethoxysilane  (oligo-PEG).  A  lowdensity  nano-porous  structure  is  created  using  sol-gel  synthesis.  The  backbone  functionalization  is  achieved  through  a  carefully  timed  and  phased  introduction  of  pre-hydrolyzed  TFSISPE  anion  and  oligo-PEG  to  the  partially  gelled  silica.  As  a  result,  cation  donor  groups  are  covalently  bonded  to  the  backbone.  Subsequently,  low-molecular-weight  polyethylene  oxide  replaces  the  solvent  in  the  nanopores.  Oligo-PEG  grafting  increases  the  pore  fill  factor  and  significantly  boosts  ionic  conductivity  (5.2x10-4  S  cm-1  at  20°C  for  a  one-molar  Li+  concentration)  by  reducing  conductivity  osmotic  drag  resulting  from  entanglement  between  oligo-PEG  and  PEO.  Anchoring  the  TFSISPE  anion  to  the  backbone  yields  a  Li+  transference  number  tLi+∼0.91.Incorporating  liquid  carbonates  into  the  porous  silica  backbone,  e.g.,  propylene  carbonate  (PC)  and  ethylene  carbonate  (EC),  further  enhances  the  conductivity  of  the  hybrid  material  to  2.9x10-3  S·cm-1  at  20°C,  with  a  Li+  transference  number  of  0.9  for  electrolytes  with  oligo-PEG  grafting.  However,  liquid  carbonates  have  poor  thermal  stability,  even  when  confined  to  nanopores.  The  ionic  liquid  1-  Ethyl-3-methylimidazolium  bis(trifluoromethylsulfonyl)imide  (EMIM  TFSI)  proves  to  be  the  best  pore  medium  for  these  hybrids.  It  has  superior  thermal  stability,  up  to  275°C,  thus  potentially  suitable  for  practical  applications.  It  reaches  ionic  conductivities  of  nearly  10-2  S·cm-1,  but  at  the  cost  of  a  lower  transference  number  (0.435)  due  to  the  binary  salt  nature  of  the  ionic  liquid.  Cation  mobility  in  these  systems  exhibits  a  maximum  as  a  function  of  the  average  pore  size,  which  is  controlled  by  varying  the  water-to-TEOS  ratio  (Rw  ratio)  during  the  backbone  synthesis.  Here  we  provide  a  cumulative  account  of  systematic  materials  design  efforts.  The  sequential  implementation  of  these  elements  allows  us  to  discern  their  individual  importance  of  the  various  materials  design  elements  and  assess  their  collective  influence  on  the  performance  characteristics  of  the  materials. 
■590    ▼aSchool  code:  0127.
■650  4▼aPhysical  chemistry
■650  4▼aMaterials  science
■650  4▼aPolymer  chemistry
■650  4▼aOrganic  chemistry
■653    ▼aLithium-ion  batteries
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■653    ▼aInterphase  polymer
■690    ▼a0794
■690    ▼a0494
■690    ▼a0490
■690    ▼a0495
■71020▼aUniversity  of  Michigan▼bMaterials  Science  and  Engineering.
■7730  ▼tDissertations  Abstracts  International▼g85-12B.
■790    ▼a0127
■791    ▼aPh.D.
■792    ▼a2024
■793    ▼aEnglish
■85640▼uhttp://www.riss.kr/pdu/ddodLink.do?id=T17162767▼nKERIS▼z이  자료의  원문은  한국교육학술정보원에서  제공합니다.

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