Определение оптимального строения катион-анионной пары для низкотемпературных электролитов на основе водородосвязанных ионных жидкостей

Важной задачей, стоящей на пути к решению проблем энергоэффективной транспортировки и хранения энергии, является создание долговечных электрохимических элементов способных функционировать в диапазоне температур от -50 до +100 оС. Развитие технологии создания подобных элементов позволит существенно расширить область применения ионных элементов питания, суперконденсаторов и водородных топливных ячеек. Основным компонентом электрохимического элемента, ответственного за температурные характеристики и ионный транспорт, является электролит, а значит создание материала с оптимальными характеристиками для низкотемпературного электролита приобретает ключевое значение. Одним из перспективных решений данной проблемы является использование ионных жидкостей (ИЖ) с низкой температурой плавления [EnergyChem, 4 (2022), 100075]. При этом ИЖ могут также использоваться в качестве активной ион-проводящей среды в композитном электролите на основе твердых пористых сред (ИЖ@МОКП). Проведенное нами ранее систематическое исследование водородосвязанных ионных жидкостей позволило сформулировать ряд подходов, для целенаправленного подбора катион-анионной пары для создания низкотемпературных электролитов на основе ИЖ с оптимальными характеристиками (тип [J. Phys. Chem. Lett. 2023, 14, 4019−4025] и температурой фазового перехода [Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 2 – 11], создающих необходимые условия для ионного транспорта [Phys. Chem. Chem. Phys., 2022, 24, 6064–6071] и стабильности ионной пары [Chem. Eur. J. 2022, 28, e202200257]). Так, с помощью уникального по своей информативности метода 2Н ЯМР удалось показать, что достичь необходимого баланса межмолекулярных сил (сил кулоновского взаимодействия, дисперсионных сил, и водородных связей) можно направленным дизайном катион-анионной пары для водородосвязанных ИЖ. В рамках данного проекта предлагается реализовать новый синтетический подход для создания ионных жидкостей с оптимальными для низкотемпературных электролитов характеристиками на основе ассиметричного алкил- аммониевого и карбоксиалкил-пиридиниевого катионов с варьируемой длинной алкильной цепи и серии анионов образующих водородные связи средней и слабой силы - [(FSO2)2N-,(CF3SO2)2N-, (CF3)SO3-, BF4-], а также композитных электролитов ИЖ@МОКП на их основе. Асимметричное строение алкильной группы катиона позволит регулировать механизм фазового перехода жидкость-стекло, вариация длины одной из алкильных цепей позволит снизить температуру замерзания за счет усиления дисперсионного взаимодействия, а вариация аниона - настроить оптимальную силу связи в катион-анионной паре. Предлагаемый синтетический подход, в сочетании с данными о характере сил водородной связи, фазового поведения и молекулярного транспорта, позволит определить оптимальное строение ИЖ для создания низкотемпературного электролита. Основной задачей проекта является разработка и синтез серии ИЖ, композитных электролитов ИЖ@МОКП на их основе, анализ их динамического плавления (фазового поведения) и ионного транспорта, установление соответствующих соотношений структура-свойство. Для достижения направленного поиска оптимального строения катион-анионной пары, при помощи сочетания методов твердотельной 2H ЯМР спектроскопии, ИК спектроскопии, моделирования методами квантовой химии, калориметрии для ИЖ каждого типа будет выявлен характер фазового перехода и молекулярного транспорта. Для наиболее оптимальных ИЖ будут синтезированы и характеризованы, в том числе как проводники, композиты ИЖ@МОКП. Новизна предлагаемого исследования связана с использованием направленного молекулярного дизайна для получения новых ИЖ с оптимальными для низкотемпературных электролитов характеристиками, а также систематическим подходом к изучению принципиально новых динамических явлений в ионных жидкостях, в том числе в области температур фазового перехода. Полученные данные послужат основой для создания электролитов, сохраняющих молекулярный транспорт при сверхнизких температурах.