聚離子液體通常被認為是電解質,但它們屬于聚合物電解質或固態電解質的一個子類,其導電性與傳統的液態電解質(如鹽溶液或熔融鹽)以及它們的單體離子液體相比存在顯著差異和局限性。
1. 定義回顧:
電解質: 指在溶液或熔融狀態下能夠導電(即存在自由移動的離子)的物質。更寬泛地說,在電化學器件中用于傳遞離子的材料都可稱為電解質。
離子液體: 完全由陰離子和陽離子組成、在室溫或接近室溫下呈液態的鹽。它們是優良的液態電解質,具有高離子電導率、低揮發性、寬電化學窗口等優點。
聚離子液體: 將離子液體的結構單元(通常是一個離子,最常見的是陽離子)通過聚合反應連接到聚合物主鏈上形成的聚合物。因此,它同時具有聚合物和離子化合物的特性。
2. 聚離子液體作為電解質的特性:
離子性: 聚離子液體由帶電荷的聚合物鏈(聚陽離子或聚陰離子)和對應的抗衡離子組成。這意味著體系中存在可移動的離子。
導電性: 聚離子液體確實可以傳導離子電流。這是它們被歸類為電解質的最核心原因。
導電機制: 導電主要依靠抗衡離子的遷移(如果聚合物主鏈帶正電,則陰離子是主要載流子;反之亦然)。聚合物主鏈上的離子位點通常是固定的,不能長距離遷移,但為離子傳輸提供了路徑或“站點”。
狀態: 它們通常是固態或高粘度的軟固體/凝膠,這與液態的單體離子液體明顯不同。
3. 與單體離子液體的關鍵區別(局限性):
電導率: 這是最顯著的差異。聚離子液體的離子電導率通常遠低于其對應的單體離子液體(可能低幾個數量級)。
原因: 聚合物主鏈的固定化大大限制了離子的運動能力。聚合物鏈段的運動(玻璃化轉變)對離子遷移至關重要。鏈段的剛性和纏繞會阻礙離子遷移。高粘度也限制了離子擴散。
離子遷移數: 在聚離子液體中,通常只有抗衡離子(自由離子)是主要的遷移載體,聚合物鏈上的離子貢獻很小。而在單體離子液體中,陰陽離子都可以遷移。
流動性: 單體離子液體是低粘度的液體,流動性好。聚離子液體是固體或高粘度材料。
4. 作為聚合物電解質的優勢:
機械強度和加工性: 聚合物特性賦予了它們良好的成膜性、柔韌性、機械強度和加工性能(如溶液澆鑄、熱壓等),易于集成到固態器件中。
無泄漏風險: 固態或高粘度特性消除了液態電解質泄漏的問題,提高了器件的安全性和封裝簡易性。
化學穩定性: 繼承了離子液體良好的化學和電化學穩定性(如不易燃、寬電化學窗口)。
可設計性: 可以通過選擇不同的單體、抗衡離子、聚合度、交聯度、共聚單體等來調控其離子電導率、機械性能、熱性能、溶解性等。
聚離子液體本質上是離子化合物,并且能夠傳導離子電流,因此符合電解質的基本定義。然而,由于其聚合物結構導致離子遷移受限,其離子電導率遠低于液態單體離子液體和許多傳統的液態電解質溶液。它們更準確地被歸類為固態聚合物電解質或離子導電聚合物。