vestiftИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series1561-83582524-244XThe Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"vestift-345Research ArticleМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ, МЕТАЛЛУРГИЯMATERIALS SCIENCES AND ENGINEERING, METALLURGYВЗАИМОСВЯЗЬ МЕЖДУ СТРУКТУРОЙ, ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ ИОНОПРОВОДЯЩИХ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ЭПОКСИДНЫХ ОЛИГОМЕРОВ И СОЛИ ПЕРХЛОРАТА ЛИТИЯTHE RELATIONSHIP BETWEEN STRUCTURE, ELECTRICAL AND DIELECTRIC PROPERTIES OF THE ION-CONDUCTING POLYMER COMPOSITES BASED ON THE EPOXY OLIGOMERS AND THE LITHIUM PERCHLORATE SALTSМатковскаяЛ. К.MatkovskaL. K.

аспирант

Харьковское шоссе, 48, 02160

Лаборатория инженерии полимерных материалов

бульвар А. Латардже, 15, 69622

Postgraduate Student

48, Kharkivske chaussee, 02160

Laboratory for Polymer Materials Engineering, UMR CNRS 5223, IMP@LYON1

15, Boulevard A. Latarjet, 69622, Villeurbanne, France

lovemk@ukr.netЮрженкоМ. В.IurzhenkoM. V.

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник

Харьковское шоссе, 48, 02160

Ph. D. (Physics and Mathematics), Associate Professor, Senior Researcher

48, Kharkivske chaussee, 02160

4ewip@ukr.netМамуняЕ. П.MamunyaYe. P.

доктор физико-математических наук, профессор, ведущий научный сотрудник

Харьковское шоссе, 48, 02160

D. Sc. (Physics and Mathematics), Professor, Leading Researcher

48, Kharkivske chaussee, 02160

ymamunya@ukr.netБуатоЖ.BoiteuxG.

доктор хабилитованый, руководитель исследований

Лаборатория инженерии полимерных материалов

бульвар А. Латардже, 15, 69622

Dr. Hab. (Physics), Director of Research CNRS

Laboratory for Polymer Materials Engineering, UMR CNRS 5223, IMP@ LYON1

15, Boulevard A. Latarjet, 69622

gisele.boiteux@univ-lyon1.frИнститут химии высокомолекулярных соединений Национальной академии наук Украины, Киев; Университет Лион 1, ВиллербанInstitute of Macromolecular Chemistry of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv; University of Lyon, University Lyon 1, Laboratory for Polymer Materials Engineering, VilleurbanneИнститут химии высокомолекулярных соединений Национальной академии наук Украины, КиевInstitute of Macromolecular Chemistry of the National Academy of Sciences of Ukraine, KyivУниверситет Лион 1, ВиллербанUniversity of Lyon, University Lyon 1, Laboratory for Polymer Materials Engineering, Villeurbanne201722012018043237Copyright © Матковская Л.К., Юрженко М.В., Мамуня Е.П., Буато Ж., 20182018Матковская Л.К., Юрженко М.В., Мамуня Е.П., Буато Ж.Matkovska L.K., Iurzhenko M.V., Mamunya Y.P., Boiteux G.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestift.belnauka.by/jour/article/view/345

Твердые полимерные электролиты (ТПЭ) могут выступать в качестве ионопроводящего материала в различных электрохимических устройствах. Значительные усилия исследователей в области полимеров направлены на достижение высокой ионной проводимости одновременно с улучшенной механической стабильностью ТПЭ. Целью данной работы является исследование взаимосвязи между структурой, электрическими и диэлектрическими свойствами сшитого ионопроводящего полимера на основе смеси олигомеров, которые имеют сходные функциональные эпоксидные группы. Методами дифференциальной сканирующей калориметрии, широкоугловой дифракции рентгеновских лучей и широкополосной диэлектрической спектроскопии изучено влияние содержания соли перхлората лития на структуру и свойства полимерных систем, синтезированных на основе эпоксидного алифатического олигомера – диглицидилового эфира полиэтиленгликоля ДЭГ-1 и эпоксидиановой смолы ЭД-20, отверждение которых проводилось полиэтиленполиамином. Установлено, что температура стеклования синтезированных систем возрастает с увеличением количества соли LiClO4, что связано с образованием координационных комплексов между катионами лития и атомами макромолекулярных цепей ДЭГ-1 и ЭД-20. Присутствие на широкоугловой рентгеновской дифрактограмме одного дифракционного максимума диффузного типа, угловое значение которого составляет приблизительно 19,6, свидетельствует, что системы являются аморфными и характеризуются ближним порядком при трансляции в пространстве фрагментов их межузловых молекулярных звеньев. Действительные составляющие диэлектрической проницаемости и комплексной электрической проводимости зависят от содержания соли перхлората лития и температуры, при которой проводились измерения. Максимальный уровень ионной проводимости и диэлектрической проницаемости выявлен при повышенных температурах у систем, синтезированных с концентрацией соли перхлората лития 30 м. ч. 

Solid polymer electrolytes (SPE) have received a great attention to the decisive role as an ionic conductor in various electrochemical devices. Significant efforts have been devoted to the high ionic conductivity with better mechanical stability of SPE. The aim of this work is to investigate the relationship between structure, electrical and dielectric properties of the crosslinked ion-conducting polymers based on a mixture of oligomers with similar functional epoxy groups. The effect of lithium perchlorate salt content on structure and properties of the synthesized polymer systems based on aliphatic epoxy oligomer – diglycidylether of ethylene glycol DEG-1 and epoxy-diane resin ED-20, which were cured by polyethylene polyamine, has been studied by means of the Differential Scanning Calorimetry, the Wide Angle X-ray Diffraction and the Broadband Dielectric Spectroscopy. It was found that the glass transition temperature of the synthesized systems increases with increasing amount of the LiClO4 that is connected with formation of coordination complexes between lithium cations and atoms of macromolecular chains. Presence of one single diffraction maximum of the diffuse type, an angular value of which is approximately 19.6, on the wide angle X-ray diffractograms indicates that systems are amorphous and they are characterized by the short-range ordering. The real parts of permittivity and complex electrical conductivity depend on the content of lithium perchlorate salt and temperature of measurements. The maximum level of ionic conductivity and permittivity at elevated temperatures was revealed for the systems with a concentration 30 phr. of the lithium perchlorate salt. 

алифатический и ароматический oлигомерысоль перхлората литияаморфная систематемпература стеклованияионная проводимостьaliphatic and aromatic oligomerslithium perchlorate saltamorphous systemglass transition temperatureionic conductivityРабота проводилась в рамках проекта «Создание новых электроактивных полимерных композитов с гибридными нанонаполнителями на основе концепции синергизма» Целевой комплексной программы фундаментальных исследований Национальной академии наук Украины «Фундаментальные проблемы создания новых наноматериалов и нанотехнологий». Л.К. Матковская благодарит за финансовую поддержку Министерство иностранных дел Франции, грант Eiffel №870734L.This work was carried out in the frame of the project “Creation of new electroactive polymer composites with hybrid nanofillers based on synergism concept” of Target complex programme of fundamental investigations of the National Academy of Sciences of Ukraine “Fundamental problems of creation of new nanomaterials and nanotechnologies”. L. K. Matkovska acknowledges the financial support of the French Ministry of Foreign Affairs, Eiffel grant №870734L.ReferencesIonic conductivity in polyethylene-b-poly(ethylene oxide)/lithium perchlorate solid polymer electrolytes / L.A. Guilherme [et al.] // Electrochim. Acta. – 2007. – Vol. 53, №4. – P. 1503–1511.Guilherme L. A., Borges R. S., Mara E., Moraes S., Silva G. G., Pimentac M. A., Marletta A., Silva R. A. Ionic conductivity in polyethylene-b-poly(ethylene oxide)/lithium perchlorate solid polymer electrolytes. Electrochimica Acta, 2007, vol. 53, no.4, pp. 1503–1511.Chai, M.N. Investigation on the conduction mechanismof carboxyl methylcellulose-oleic acid natural solid polymer electrolyte / M.N. Chai, M.I. N. Isa // Int. J. Adv. Technol. Eng. Res. – 2012. – Vol. 2, №6. – P. 36–39.Chai M. N., Isa M. I. N. Investigation on the conduction mechanismof carboxyl methylcellulose-oleic acid natural solid polymer electrolyte. International Journal of Advanced Technology & Engineering Research, 2012, vol. 2, no.6, pp. 36–39.Solid polymer electrolytes based on polyethylene oxide and lithium trifluoro-methane sulfonate (PEO–LiCF3SO3): Ionic conductivity and dielectric relaxation / N.K. Karan [et al.] // Solid State Ionics. – 2008. – Vol. 179, №19–20. – P. 689–696.Karan N. K., Pradhan D. K., Thomas R., Natesan B., Katiyar R. S. Solid polymer electrolytes based on polyethylene oxide and lithium trifluoro-methane sulfonate (PEO–LiCF3SO3): Ionic conductivity and dielectric relaxation. Solid State Ionics, 2008, vol. 179, no.19–20, pp. 689–696.Supramolecular polymer/metal salt complexes containing quadruple hydrogen bonding units / Kyung Ju Lee [et al.] // J. Polym. Sci. Part B: Polym. Phys. – 2007. – Vol. 45. – P. 3181–3188.Kyung Ju Lee, Yong Woo Kim, Joo Hwan Koh, Jong Hak Kim. Supramolecular polymer/metal salt complexes containing quadruple hydrogen bonding units. Journal of Polymer Science. Part B: Polymer Physics, 2007, vol. 45, рр. 3181– 3188. Doi: 10.1002/polb.21316Guhathakurta, S. Lithium sulfonate promoted compatibilization in single ion conducting solid polymer electrolytes based on lithium salt of sulfonated polysulfone and polyether epoxy / S. Guhathakurta, K. Min // Polymer. – 2010. – №51. – P. 211–221.Guhathakurta S., Min K. Lithium sulfonate promoted compatibilization in single ion conducting solid polymer electrolytes based on lithium salt of sulfonated polysulfone and polyether epoxy. Polymer, 2010, no.51, рр. 211–221.Free mesogen assisted assembly of the star-shaped liquid-crystalline copolymer/polyethylene oxide solid electrolytes for lithium ion batteries / Yo. Tonga [et al.] // Electrochim. Acta. – 2014. – №118. – P. 33–40.Tonga Yo., Chen L., He X., Chen Yi. Free mesogen assisted assembly of the star-shaped liquid-crystalline copolymer/ polyethylene oxide solid electrolytes for lithium ion batteries. Electrochimica Acta, 2014, no. 118, рр. 33–40.Klongkan, S. Effects of the addition of LiCF3SO3 salt on the conductivity, thermal and mechanical properties of PEOLiCF3SO3 solid polymer electrolyte / S. Klongkan, J. Pumchusak // Int. J. Chem. Eng. Appl. – 2015. – Vol. 6, №3. – P. 165–168.Klongkan S., Pumchusak J. Effects of the addition of LiCF3SO3 salt on the conductivity, thermal and mechanical properties of PEO-LiCF3SO3 solid polymer electrolyte. International Journal of Chemical Engineering and Applications, 2015, vol. 6, no. 3, pp. 165–168. Doi: 10.7763/IJCEA.2015.V6.474Dey, А. Effect of nanofillers on thermal and transport properties of potassium iodide–polyethylene oxide solid polymer electrolyte / А. Dey, S. Karan, S.K. De // Solid State Communications. – 2009. – Vol. 149, №31–32. – P. 1282–1287.Dey А., Karan S., De S. K. Effect of nanofillers on thermal and transport properties of potassium iodide–polyethylene oxide solid polymer electrolyte. Solid State Communications, 2009, vol. 149, no. 31–32, pp. 1282–1287.Das, S. Ionic conductivity and dielectric permittivity of PEO-LiClO4 solid polymer electrolyte plasticized with propylene carbonate / S. Das, A. Ghosh // AIP Advances. – 2015. – Vol. 5, №2. – Id. 027125.Das S., Ghosh A. Ionic conductivity and dielectric permittivity of PEO-LiClO4 solid polymer electrolyte plasticized with propylene carbonate. AIP Advances, 2015, vol. 5, no. 2, id. 027125. Doi: 10.1063/1.4913320Karmakar, A. Structure and ionic conductivity of ionic liquid embedded PEO-LiCF3SO3 polymer electrolyte / A. Karmakar, A. Ghosh // AIP Advances. – 2014. – №4. – Id. 087112.Karmakar A., Ghosh A. Structure and ionic conductivity of ionic liquid embedded PEO-LiCF3SO3 polymer electrolyte. AIP Advances, 2014, no. 4, id. 087112. Doi: 10.1063/1.4892855A review of lithium and non-lithium based solid state batteries / J.G. Kim [et al.] // J. Power Sources. – 2015. – №282. – P. 299–322.Kim J. G., Son B., Mukherjee S., Schuppert N., Bates A., Kwon O., Choi M. J., Chung H. Y., Park S. A review of lithium and non-lithium based solid state batteries. Journal of Power Sources, 2015, no. 282, рр. 299–322.Co-continuous structural electrolytes based on ionic liquid, epoxy resin and organoclay: Effects of organoclay content / Ya. Yu [et al.] // Materials & Design. – 2016. – №104. – P. 126–133.Yu Ya., Zhang B., Wang Y., Qi G., Tian F., Yang J., Wang Sh. Co-continuous structural electrolytes based on ionic liquid, epoxy resin and organoclay: Effects of organoclay content. Materials & Design, 2016, no. 104, рр. 126–133.Effects of curing agent on conductivity, structural and dielectric properties of an epoxy polymer / W. Jilani [et al.] // Polymer. – 2015. – №79. – P. 73–81.Jilani W., Mzabi N., Fourati N., Zerrouki Ch., Gallot-Lavallее O., Zerrouki R., Guermazi H. Effects of curing agent on conductivity, structural and dielectric properties of an epoxy polymer. Polymer, 2015, no. 79, рр. 73–81.Development of a novel type of solid polymer electrolyte for solid state lithium battery applications based on lithium enriched poly (ethylene oxide) (PEO)/poly (vinyl pyrrolidone) (PVP) blend polymer / B. Jinisha [et al.] // Electrochim. Acta. – 2017. – №235. – P. 210–222.Jinisha B., Anilkumar K. M., Manoj M., Pradeep V. S., Jayalekshmi S. Development of a novel type of solid polymer electrolyte for solid state lithium battery applications based on lithium enriched poly (ethylene oxide) (PEO)/poly (vinyl pyrrolidone) (PVP) blend polymer. Electrochimica Acta, 2017, no. 235, рр. 210–222.Soumen, J. Electrical conductivity enhancement of a polymer using butyl glycidyl ether (BGE)–lithium hexafluorophosphate (LiPF6) complex / J. Soumen, Zh. Wei-Hong // J. Mater. Sci. – 2008. – №43. – P. 4607–4617.Soumen J., Wei-Hong Zh. Electrical conductivity enhancement of a polymer using butyl glycidyl ether (BGE)–lithium hexafluorophosphate (LiPF6) complex. Journal of Materials Science, 2008, no. 43, рр. 4607–4617. Doi: 10.1007/s10853- 008-2677-zPolu, A.R. Ionic liquid doped PEO-based solid polymer electrolytes for lithium-ion polymer batteries / A.R. Polu, H.-W. Rhee // Int. J. Hydrogen Energy. – 2017. – №42. – P. 7212–7219.Polu A. R., Rhee H.-W. Ionic liquid doped PEO-based solid polymer electrolytes for lithium-ion polymer batteries. International Journal of Hydrogen Energy, 2017, no. 42, рр. 7212–7219.Study of ageing effects in polymer-in-salt electrolytes based on poly(acrylonitrile-co-butyl acrylate) and lithium salts / A.K. Łasińska [et al.] // Electrochim. Acta. – 2015. – №169. – P. 61–72.Łasińska A. K., Marzantowicz M., Dygas J. R., Krok F., Florjańczyk Z., Tomaszewska A., Zygadło-Monikowska E., Żukowska Z., Lafont U. Study of ageing effects in polymer-in-salt electrolytes based on poly(acrylonitrile-co-butyl acrylate) and lithium salts. Electrochimica Acta, 2015, no. 169, рр. 61–72.Штомпель, В.И. Структура линейных полиуретанов / В.И. Штомпель, Ю.Ю. Керча. – Киев: Наук. думка, 2008. – 247 с.Shtompel V. I, Kercha Yu. Yu. Structure of linear polyurethanes. Kiev, Naukova dumka Publ., 2008. 247 р. (in Russian).Вплив перхлорату літію на структуру епоксидних полімерних композитів / Л. Матковська [та ін.] // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології. – 2017. – Т. 15, №1. – С. 175–184.Matkovska L., Tkachenko I., Demchenko V., Iurzhenko M., Mamunya Ye. The effect of lithium perchlorate on the structure of epoxy resin composites. Nanosistemi. Nanomateriali. Nanotehnologii, 2017, vol. 15, no. 1, рр. 175–184 (in Ukrainian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.