gel iónico

Un gel iónico (o ionogel ) es un material compuesto que consiste en un líquido iónico inmovilizado por una matriz inorgánica o polimérica. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]} El material tiene la cualidad de mantener una alta conductividad iónica en estado sólido. Para crear un gel iónico, la matriz sólida se mezcla o sintetiza in situ con un líquido iónico . Una práctica común es utilizar un copolímero de bloques que se polimeriza en solución con un líquido iónico para que se genere una nanoestructura autoensamblada donde los iones son selectivamente solubles. Los geles iónicos también pueden hacerse utilizando polímeros no copoliméricos como la celulosa , óxidos como el dióxido de silicio o materiales refractarios como el nitruro de boro .

Los geles iónicos se pueden dividir en dos grandes clases según el componente principal de la matriz del compuesto: poliméricos e inorgánicos. ^{[ 1 ]} Estas clases se pueden subdividir aún más según la clase química de la matriz. En las aplicaciones típicas de geles iónicos, se busca que los componentes de la matriz sean aislantes eléctricos para separar los contactos dentro de un dispositivo y proporcionar únicamente conductividad iónica. La selección del material de la matriz tiene repercusiones tanto en la conductividad iónica como en las propiedades mecánicas del material compuesto final.

Clases inorgánicas: ^{[ 1 ]}

• Óxido no metálico (por ejemplo, _SiO₂ )
• Óxido no metálico funcionalizado
• Óxido metálico
• Nanopartículas unidas a un líquido iónico
• Estructura metalorgánica
• Materiales refractarios (por ejemplo, nitruro de boro)

Clases poliméricas: ^{[ 3 ]}

• Poli(óxido de etileno)
• Poli(metacrilato de metilo)
• poli(fluoruro de vinilideno)
• diacrilato de poli( etilenglicol )
• Poli(acrilonitrilo)

Aunque estos subtipos de geles iónicos pueden clasificar muchos materiales dentro de esta amplia categoría, aún existen materiales híbridos que quedan fuera de estas categorizaciones. Se han demostrado ejemplos de geles iónicos con materiales poliméricos e inorgánicos que proporcionan flexibilidad y resistencia al compuesto final. ^{[ 4 ]}

Los geles iónicos se han utilizado en muchos sistemas de dispositivos eléctricos, como en condensadores como dieléctricos , ^{[ 5 ]} como aislantes para transistores de efecto de campo , ^{[ 6 ]} y como electrolitos para baterías de iones de litio . ^{[ 1 ]} La forma sólida y a la vez flexible de los geles iónicos resulta atractiva para dispositivos móviles modernos como pantallas moldeables, sistemas de monitorización de la salud y baterías de estado sólido. ^{[ 7 ]} Especialmente para aplicaciones de baterías de estado sólido, la alta viscosidad de los geles iónicos proporciona la resistencia suficiente para servir como electrolito y separador entre el ánodo y el cátodo. ^{[ 1 ]} Además, los geles iónicos son muy apreciados en aplicaciones de baterías, ya que el flujo viscoelástico del gel bajo tensión crea un contacto electrodo/electrolito de alta calidad en comparación con otros electrolitos de estado sólido. ^{[ 8 ]}

Se sabe que los geles iónicos pueden soportar temperaturas superiores a 300 °C antes de que comience su degradación. ^{[ 9 ]} La capacidad de alta temperatura suele estar limitada por el líquido iónico subyacente , que puede tener un amplio rango de estabilidad térmica, pero generalmente es estable hasta al menos 250 °C. ^{[ 10 ]} Esta estabilidad a alta temperatura se ha aprovechado para operar celdas de baterías de iones de litio a escala de laboratorio hasta 175 °C, lo que supera con creces las capacidades de los electrolitos comerciales actuales. ^{[ 11 ]}

Dada la variedad de geles iónicos, las propiedades mecánicas de esta amplia clase de materiales abarcan un amplio rango. A menudo, las propiedades mecánicas se adaptan a la aplicación deseada. Las aplicaciones que requieren alta flexibilidad buscan un material de matriz altamente elástico como un polímero reticulado . ^{[ 7 ] [ 9 ]} Este tipo de materiales elastoméricos ofrecen un alto grado de deformación elástica con recuperación completa, lo cual es deseable en dispositivos portátiles que experimentarán muchos ciclos de tensión durante su vida útil. Además, este tipo de materiales puede alcanzar hasta un 135 % de deformación en la rotura, lo que indica un grado de ductilidad . ^{[ 12 ]} Las aplicaciones que requieren un gel iónico de mayor resistencia a menudo utilizan una matriz refractaria para generar un refuerzo compuesto. Esto es particularmente deseable en aplicaciones de baterías de iones de litio , que buscan disuadir el crecimiento de dendritas de litio en la celda que pueden resultar en un cortocircuito interno . Se ha establecido una relación en baterías de iones de litio entre electrolitos sólidos fuertes y de alto módulo y una reducción en el crecimiento de dendritas de litio. ^{[ 13 ]} Por lo tanto, un compuesto de gel de iones fuertes puede mejorar la longevidad de las baterías de iones de litio mediante la reducción de fallas internas por cortocircuito.

La resistencia elástica al flujo de los geles iónicos se mide a menudo mediante espectroscopia mecánica dinámica . Este método revela el módulo de almacenamiento , así como el módulo de pérdida , que definen la respuesta tensión-deformación del gel. Todos los geles iónicos se encuentran en el régimen de estado cuasi-sólido a sólido, lo que indica que el módulo de almacenamiento es mayor que el módulo de pérdida (es decir, el comportamiento elástico prevalece sobre el comportamiento líquido disipador de energía). ^{[ 14 ]} La magnitud del módulo de almacenamiento y su relación con el módulo de pérdida determinan la resistencia y la tenacidad del material compuesto. ^{[ 9 ]} Los valores del módulo de almacenamiento para geles iónicos pueden variar desde aproximadamente 1,0 kPa para matrices poliméricas típicas ^{[ 15 ]} hasta aproximadamente 1,0 MPa para matrices refractarias. ^{[ 11 ]}

The structure of the composite matrix can play a large role in the outcome of the final bulk mechanical properties. This is especially true for inorganic based matrix materials. Several lab-scale examples have demonstrated a general trend that smaller matrix particle sizes can result in orders of magnitude increase in storage modulus.^[11][13] This has been attributed to higher surface area to volume ratio of the matrix particles and the higher concentration of nanoscale interactions between the particle and the immobilized ionic liquid.^[11] The higher the interaction forces between the components in the ion gel composite results in a higher force required for plastic deformation and an overall stiffer material.

Another degree of freedom in ion gel design lies in the ratio of matrix to ionic liquid in the final composite. As the concentration of ionic liquid in the matrix increases, the material will become more liquid-like in general corresponding to a decrease in storage modulus.^[16] Conversely, a decrease in concentration will generally strengthen the material and depending on the matrix material can generate a more elastomeric or brittle stress-strain response.^[17] The general tradeoff in a reduced concentration in ionic liquid is a subsequent decrease in ionic conductivity of the overall composite making optimization necessary for the specific application.^[16]