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Effect of Nanoscale Morphology on the Conductivity of Polymerized Ionic Liquid Block Copolymers

共聚物 高分子化学 离子电导率 分散性 离子液体 聚合 材料科学 烷基 苯乙烯 电导率 聚合物 化学工程 化学 物理化学 有机化学 复合材料 电解质 工程类 催化作用 电极
作者
Ryan L. Weber,Yuesheng Ye,Andrew L. Schmitt,Steven M. Banik,Yossef A. Elabd,Mahesh K. Mahanthappa
出处
期刊:Macromolecules [American Chemical Society]
卷期号:44 (14): 5727-5735 被引量:270
标识
DOI:10.1021/ma201067h
摘要

Polymerized ionic liquid (POIL) block copolymers represent a unique class of materials for fundamental studies of single ion conduction as a function of morphology in microphase-separated polymer electrolytes for energy storage and conversion applications. We describe the synthesis of a series of poly(styrene-b-4-vinylbenzylalkylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide) (PS-b-PVBn(alkyl)ImTFSI; alkyl = CH3 (Me), n-C4H9 (Bu), n-C6H13 (Hex)) diblock copolymers (2.7–17.0 mol % POIL) via exhaustive functionalization and ion exchange of relatively narrow molecular weight dispersity poly(styrene-b-4-vinylbenzyl chloride) precursors derived from nitroxide-mediated block copolymerizations. The solid-state morphology of these PS-b-PVBn(alkyl)ImTFSI copolymers were studied using a combination of temperature-dependent synchrotron small-angle X-ray scattering (SAXS) and transmission electron microscopy (TEM). From electrochemical impedance spectroscopy measurements, we observe that lamellar samples having similar compositions exhibit comparable values of conductivity (0.1 mS cm–1 at 150 °C) regardless of imidazolium alkyl substituent. The ionic conductivity of a compositionally varied series of PS-b-PVBnHexImTFSI diblocks depends nonlinearly on POIL composition (0.01 mS cm–1 for 8.6 mol % POIL and 0.1 mS cm–1 for 17.0 mol % POIL at 150 °C), thus highlighting the influence of morphology on the observed ionic conductivity of POIL block copolymers for the first time. By using different polymer processing strategies, we further demonstrate that the ionic conductivity of a single sample (8.6 mol % POIL) may vary by more than one order of magnitude depending on the long-range ordering of the microphase separated morphology. These studies indicate that macroscopic connectivity and morphological defects strongly affect the observed conductivity in these materials.

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