Enhanced ionic conductivity in block copolymer electrolytes through interfacial passivation using mixed ionic liquids

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作者
Jaemin Min,Suhyun Bae,Daisuke Kawaguchi,Keiji Tanaka,Moon Jeong Park
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:159 (17)
标识
DOI:10.1063/5.0173322
摘要

We present a strategic approach for enhancing the ionic conductivity of block copolymer electrolytes. This was achieved by introducing mixed ionic liquids (ILs) with varying molar ratios, wherein the imidazolium cation was paired with either tetrafluoroborate (BF4) anion or bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (TFSI) anion. Two polymer matrices, poly(4-styrenesulfonate)-b-polymethylbutylene (SSMB) and poly(4-styrenesulfonyl (trifluoromethanesulfonyl)imide)-b-polymethylbutylene (STMB), were synthesized for this purpose. All the SSMB and STMB containing mixed ILs showed hexagonal cylindrical structures, but the type of tethered acid group significantly influenced the interfacial properties. STMB electrolytes demonstrated enhanced segregation strength, which was attributed to strengthened Coulomb and hydrogen bonding interactions in the ionic domains, where the ILs were uniformly distributed. In contrast, the SSMB electrolytes exhibited increased concentration fluctuations because the BF4 anions were selectively sequestered at the block interfaces. This resulted in the effective confinement of imidazolium TFSI along the ionic domains, thereby preventing ion trapping in dead zones and facilitating rapid ion diffusion. Consequently, the SSMB electrolytes with mixed ILs demonstrated significantly improved ionic conductivities, surpassing the expected values based on the arithmetic average of the conductivities of each IL, whereas the ionic conductivity of the STMB was aligned with the expected average. The methodology explored in this study holds great promise for the development of solid-state polymer electrolytes.

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