打造能在固態導電的有機電解質

在液體電解質中,離子可以在液體中自由移動,因此具有高離子導電性。然而,當液體冷卻並發生相變轉換成固體時,其離子導電性會急遽下降,這是因為離子在固體中的移動機制與液體完全不同。傳統的有機液態電解質在液態轉固態的過程中,其導電性會呈現陡降(遵循Vogel-Tammann-Fulcher關係),且離子遷移率大幅下降,這表示離子傳導機制已經改變。這樣的特性限制了電解質的應用範圍,而要讓電解質同時具備液體的高導電性和固體的穩定性是相當困難的。雖然某些無機固態材料(如超離子導體)能在固態下展現高離子導電性,但有機材料卻很難做到這一點。因此,如何開發出一種能在液態、液晶態和固態之間保持相同離子傳導機制的有機電解質,成為了科學家們的重大挑戰。理想的電解質應該滿足三個設計標準:第一,陽離子和陰離子之間的相互作用極弱;第二,在固態下,陽離子或陰離子其中一方會組裝成規則排列的結構,而這個結構中存在許多能量差異很小的位置,讓另一方的離子可以在這些位置之間跳躍移動;第三,材料在固態下仍保有結構靈活性,使離子能透過固態網絡擴散,並遵循與液態相同的機制。

近日,英國牛津大學和杜倫大學的研究團隊,成功合成了一系列以環丙烯陽離子(cyclopropenium)為基礎的有機鹽類(SIEn·X,n為數字,X為鹵素),這些材料能展現出「與狀態無關的離子導電性」(state- independent ionic conductivity)。這些鹽類的陽離子具有三個烷氧基苯基,形成類似三腳架的結構,且環丙烯陽離子的正電荷高度離域化,使其與鹵素陰離子之間的作用力極弱。X射線光電子能譜分析顯示,氯離子的結合能僅為196.0 eV,遠低於緊密離子對(如LiCl為198.6 eV),證實了陰陽離子間的弱交互作用。當這些鹽類冷卻時,陽離子會組裝成柱狀結構,且在液晶態和固態之間逐步引入有序性,冷卻過程中,其離子導電性遵循連續的阿瑞尼士關係,表示離子擴散的活化能在相變過程中保持不變。研究人員表示,這項研究為開發兼具液體高導電性和固體穩定性的電解質材料提供了新方向。

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