Состав жидкокристаллического ионного электролита

Состав жидкокристаллического ионного электролита

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области электротехнической промышленности, а именно к разработке электролитов для химических источников тока. Перспективными ион проводящими электролитами являются ионные жидкие кристаллы. В частности, ионные лиотропные жидкие кристаллы на основе солей додецилбензолсульфоновой кислоты. Лиотропные ионные жидкие кристаллы на основе солей додецилбензолсульфоновой кислоты обладают такими достоинствами, как малая токсичность, термодинамическая стабильность жидкокристаллической фазы в широком температурном интервале, высокая удельная проводимость по натрию и литию, что в сумме с самоорганизующейся упорядоченной наноструктурой делает их привлекательными для широкого применения.

Разработано и запатентовано большое количество различных электролитов, в том числе и электролитов на основе жидких кристаллов различной природы, то есть лиотропные, термотропные и полимеризуемые жидкие кристаллы. Предложены и запатентованы в качестве ионных проводников различные твердые электролиты, полимерные и кристаллические, растворы различных солей лития, натрия в ряде органических растворителей, например в этиленкарбонате, а также жидкокристаллические ионные проводники.

Нами предлагается использовать в качестве основы для ионных проводников лиотропные жидкие кристаллы в системе вода - додецилбензолсульфонат Li/Na. Применение для получения жидких кристаллов доступных по цене анионных поверхностно-активных веществ делает предлагаемые электролиты экономически привлекательными.

Известен ряд жидкокристаллических ионных проводников, получаемых путем смешивания расплава органической соли (ионной жидкости) с органическими или неорганическими веществами, способными формировать жидкокристаллическую фазу, описанных в патенте ЕР 1394816 А1 Kato Takashi, Kanie Satoshi, Yoshio Masafumi, Ohno Hiroyuki, Yoshizawa Masahiro «Liquid crystalline ion conductor and method for preparation thereof» от 03.03.2004 (МПК H01B 1/06). В патенте описаны разные составы электролита, в которых можно сформировать жидкокристаллический ионный проводник на основе ионных жидкостей и различных жидкокристаллических молекул.

Известен состав электролита на основе полимеризуемого ионного жидкого кристалла для электрохимических источников тока в европейском патенте ЕР 116769 В1 Ono Michio «Electrolyte composition, electrochemical cell and ionic liquid crystal monomer» от 18.01.2001 (МПК H01G 9/20, C09K 19/00, C09K 19/38). В состав заявленного электролита входят полимеризуемые жидкокристаллические мономеры, содержащие по меньшей мере одну полимеризуемую группу, также ионный жидкокристаллический мономер имеет органическую катионсодержащую и этиленоксидную группы.

Аналогом заявленного изобретения служит патент WO 2006/062014 A1 Haramoto Yuiciro «Conductive liquid-crystal material, process for producing the same, liquid-crystal composition, liquid-crystal semiconductor element, and information memory medium» от 15.06.2006 (МПК G09K 19/16, H01L 51/50, G02F 1/13). Изобретение описывает жидкокристаллическую композицию, которая даже при комнатной температуре имеет отличную проводимость, с электрохимическим окном напряжения 5В. Композиция состоит из одного или более компонентов, формирующих смектическую жидкокристаллическую фазу.

Наиболее близким по технической сущности (прототипом) к заявляемому изобретению является состав электролита, содержащий как минимум одну соль электролита и смесь органических растворителей, этиленкарбоната 10-50% и фторэтиленкарбоната 50-90%. (Патент WO 2013/033579 A1 Chen Xudong, Holstein William L. «Fluorinated electrolyte compositions» от 07.03.2013, МПК H01M 10/0525, H01M 10/0569, H01M 10/0567).

Заявленная в данном патенте композиция содержит Na/Li соль додецилбензолсульфоновой кислоты и воду в качестве растворителя, в определенных соотношениях, которые позволяют получить упорядоченную наноструктурированную жидкокристаллическую фазу.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является высокая удельная проводимость получаемого электролита при наличии упорядоченной внутренней структуры и сохранении текучести, что выгодно отличает подобные электролиты от прототипа.

Технический результат достигается композицией, содержащей литиевую соль додецилбензолсульфоновой кислоты в количестве 25-55% (мас.) и 75-45% (мас.) воды или содержащей натриевую соль додецилбензолсульфоновой кислоты в количестве 70-88% (мас.) и 30-12% (мас.) воды.

Получение жидких кристаллов в системе соль додецилбензолсульфоновой кислоты - вода включает следующие операции:

- получение натриевой/литиевой соли додецилбензолсульфоновой кислоты;

- получение раствора необходимой концентрации.

Пример 1

В бюкс вносим 1 г додецилбензолсульфоновой кислоты. Далее добавляем при перемешивании водный раствор гидроксида лития до нейтрального рН 7. В дальнейшем, после нейтрализации кислоты, выпариваем полученную смесь до необходимой концентрации.

Наличие или отсутствие жидкокристаллической структуры и ее тип определяли методом поляризационной микроскопии с помощью микроскопа «Axiostar plus» для наблюдения в проходящем свете (Zeiss, Германия) с цифровой фотокамерой «Canon».

Фиг.1 представляет пример микрофотографии через скрещенные поляроиды (левая) и в проходящем свете (правая) лиотропных жидких кристаллов гексагонального строения, полученных в системе додецилбензолсульфонат лития - вода. Образец содержит 51% (масс.) додецилбензолсульфонат лития и 49% (мас.) воды. На микрофотографии видна текстура образца, характерная для жидких кристаллов гексагонального строения.

Пример 2

Получение жидких кристаллов проводили по методике, описанной в примере 1. Наличие жидкокристаллической структуры проверяли методом поляризационной микроскопии, как описано в примере 1. В таблице 1 показаны данные по составу образцов, полученных в системе додецилбензолсульфонат лития - вода при 25°С, и наличию у них жидкокристаллической структуры. Как видно из представленных данных, диапазоны содержания компонентов, указанные в формуле изобретения, соответствуют области существования жидких кристаллов в системе додецилбензолсульфонат лития - вода.

Таблица 1
Состав, структура и проводимость образцов, полученных в системе додецилбензолсульфонат лития - вода при 25°С.
№ образца	Содержание компонентов, % (мас.)	Проводимость, мСм/см	Структура
Додецилбензолсульфонат лития	Вода
1	20	80	2,3	L1
2	33	67	33,7	H1
3	38	62	32,9	H1
4	41	59	39,1	H1

5	51	49	19,2	H1
6	70	30	6,6	Lα
7	78	28	2,0	Lα
8	90	10	0,3	Lα
*L1 - мицеллярная изотропная фаза
**Н1 - гексагональная жидкокристаллическая фаза
***Lα - ламеллярная жидкокристаллическая фаза

Пример 3

По методике, описанной в примере 1, с заменой на гидроксид натрия, получаем жидкие кристаллы на основе додецилбензолсульфоната натрия.

Наличие или отсутствие жидкокристаллической структуры подтверждаем, как описано в примере 1.

Фиг.2 представляет пример микрофотографии через скрещенные поляроиды лиотропных жидких кристаллов ламеллярного строения, полученных в системе додецилбензолсульфонат натрия - вода. Образец содержит 78% (мас.) додецилбензолсульфонат натрия и 22% (мас.) воды. На микрофотографии видна текстура образца, характерная для жидких кристаллов ламеллярного строения.

Пример 4

Получение жидких кристаллов проводили по методике, описанной в примере 1. Наличие жидкокристаллической структуры проверяли методом поляризационной микроскопии, как описано в примере 1. В таблице 2 показаны данные по составу образцов, полученных в системе додецилбензолсульфонат натрия - вода при 25°С, и наличию у них жидкокристаллической структуры. Как видно из представленных данных, диапазоны содержания компонентов, указанные в формуле изобретения, соответствуют области существования жидких кристаллов в системе додецилбензолсульфонат лития - вода.

Таблица 2
Состав, структура и проводимость образцов, полученных в системе додецилбензолсульфонат натрия - вода при 25°С.
№ образца	Содержание компонентов, % (мас.)	Проводимость, мСм/см	Структура
Додецилбензолсульфонат натрия	Вода
1	30	70	36,8	L1+Lα
2	64	36	18,0	L1+Lα
3	78	22	1,7	Lα
4	90	10	0,11	Lα+HC
*НС - кристаллическая фаза

Состав электролита, включающий по крайней мере одну соль электролита и растворитель, отличающийся тем, что в качестве соли электролита содержит литиевую соль додецилбензолсульфоновой кислоты в количестве 25-55% (мас.) и в качестве растворителя содержит воду 75-45% (мас.) либо натриевую соль додецилбензолсульфоновой кислоты в количестве 70-88% (мас.) и воду 30-12% (мас.).