आयन जेल

एक आयन जेल (या Ionogel) एक मिश्रित सामग्री है जिसमें एक अकार्बनिक या एक बहुलक मैट्रिक्स द्वारा स्थिर आयनिक तरल होता है। सामग्री में ठोस अवस्था में रहते हुए उच्च आयनिक चालकता (ठोस अवस्था) बनाए रखने का गुण होता है। आयन जेल बनाने के लिए, ठोस मैट्रिक्स को आयनिक तरल के साथ मिश्रित या संश्लेषित किया जाता है। एक सामान्य अभ्यास एक ब्लॉक कॉपोलीमर का उपयोग करना है जो एक आयनिक तरल के साथ समाधान में पोलीमराइज़ किया जाता है ताकि एक स्व-इकट्ठे नैनोस्ट्रक्चर उत्पन्न हो जहां आयन चुनिंदा रूप से घुलनशील हों। आयन जैल गैर-कॉपोलीमर पॉलिमर जैसे सेल्युलोज, ऑक्साइड जैसे सिलिकॉन डाइऑक्साइड या आग रोक सामग्री जैसे बोरॉन नाइट्राइड का उपयोग करके भी बनाया जा सकता है।

आयन जैल के प्रकार
समग्र में मैट्रिक्स के प्रमुख घटक के आधार पर आयन जैल को दो व्यापक वर्गों में विभाजित किया जा सकता है: बहुलक और अकार्बनिक। मैट्रिक्स के रासायनिक वर्ग के आधार पर इन व्यापक वर्गों को और उप-विभाजित किया जा सकता है। ठेठ आयन जेल अनुप्रयोगों में, यह वांछित है कि मैट्रिक्स घटक एक डिवाइस के भीतर संपर्कों को अलग करने के लिए विद्युत रूप से इन्सुलेट करते हैं और अकेले आयनिक चालकता की आपूर्ति करते हैं। किसी सामग्री के मैट्रिक्स चयन में आयनिक चालकता के साथ-साथ अंतिम समग्र सामग्री के यांत्रिक गुणों पर असर पड़ता है।

अकार्बनिक वर्ग:


 * गैर-धातु ऑक्साइड (जैसे SiO2)
 * कार्यात्मक गैर-धातु ऑक्साइड
 * धातु ऑक्साइड
 * आयोनिक लिक्विड टेथर्ड नैनोपार्टिकल्स
 * धातु-जैविक ढांचा
 * आग रोक सामग्री (जैसे बोरान नाइट्राइड)

पॉलिमर क्लासेस:


 * पॉली (एथिलीन ऑक्साइड)
 * पॉलिमिथाइल मेथाक्रायलेट)
 * पोलीविनीलीडेंस फ्लोराइड | पॉली (विनाइलिडीन फ्लोराइड)
 * पॉली (एथिलीन ग्लाइकॉल) डाइएक्रिलेट
 * पॉलीएक्रिलोनाइट्राइल|पॉली(एक्रिलोनिट्राइल)

हालांकि आयन जैल के ये उपप्रकार इस व्यापक वर्ग में कई सामग्रियों को वर्गीकृत कर सकते हैं, फिर भी अभी भी संकर सामग्री हैं जो इन वर्गीकरणों से बाहर हैं। अंतिम सम्मिश्र में लचीलापन और शक्ति दोनों प्रदान करने के लिए बहुलक और अकार्बनिक सामग्री दोनों के साथ आयन जैल के उदाहरण प्रदर्शित किए गए हैं।

अनुप्रयोग
कई विद्युत उपकरण प्रणालियों में आयन जैल का उपयोग किया गया है जैसे संधारित्र  में  ढांकता हुआ ्स के रूप में, क्षेत्र प्रभाव ट्रांजिस्टर के लिए इन्सुलेटर (बिजली) के रूप में, और लिथियम आयन बैटरी | लिथियम-आयन बैटरी के लिए इलेक्ट्रोलाइट्स के रूप में। आयन जैल का ठोस अवस्था और फिर भी लचीला रूप आधुनिक मोबाइल उपकरणों जैसे कि बनाने योग्य स्क्रीन, स्वास्थ्य निगरानी प्रणाली और सॉलिड-स्टेट बैटरी | सॉलिड स्टेट बैटरी के लिए आकर्षक है। विशेष रूप से ठोस अवस्था बैटरी अनुप्रयोगों के लिए, आयन जैल की उच्च चिपचिपाहट एनोड और कैथोड के बीच इलेक्ट्रोलाइट और विभाजक दोनों के रूप में काम करने के लिए पर्याप्त शक्ति प्रदान करती है। इसके अलावा, बैटरी अनुप्रयोगों में आयन जैल की मांग की जाती है क्योंकि तनाव के तहत जेल का विस्कोलेस्टिक प्रवाह अन्य ठोस राज्य इलेक्ट्रोलाइट्स की तुलना में उच्च गुणवत्ता वाले इलेक्ट्रोड/इलेक्ट्रोलाइट संपर्क बनाता है।

थर्मल स्थिरता
क्षरण की शुरुआत से पहले आयन जैल को 300 डिग्री सेल्सियस से ऊपर बनाए रखने में सक्षम होने के लिए जाना जाता है। उच्च तापमान क्षमता आमतौर पर अंतर्निहित आयनिक तरल द्वारा सीमित होती है, जिसमें थर्मल स्थिरता की एक विस्तृत श्रृंखला हो सकती है, लेकिन आमतौर पर कम से कम 250 डिग्री सेल्सियस तक स्थिर होती है। 175 डिग्री सेल्सियस तक प्रयोगशाला पैमाने पर लिथियम आयन बैटरी कोशिकाओं को संचालित करने के लिए इस उच्च तापमान स्थिरता का शोषण किया गया है, जो वर्तमान वाणिज्यिक इलेक्ट्रोलाइट्स की क्षमताओं से कहीं अधिक है।

यांत्रिक गुण
आयन जैल की विविधता को देखते हुए, सामग्री के इस व्यापक वर्ग के यांत्रिक गुणों की एक विस्तृत श्रृंखला है। अक्सर यांत्रिक गुणों को वांछित अनुप्रयोग के अनुरूप बनाया जाता है। जिन अनुप्रयोगों के लिए उच्च लचीलेपन की आवश्यकता होती है, वे पार लिंक |क्रॉस-लिंक्ड पॉलीमर जैसे अत्यधिक लोचदार मैट्रिक्स सामग्री को लक्षित करते हैं।  इस प्रकार की elastomer सामग्री पूर्ण पुनर्प्राप्ति के साथ उच्च स्तर की लोच (भौतिकी) तनाव प्रदान करती है, जो पहनने योग्य उपकरणों में वांछनीय है जो अपने जीवनकाल में कई तनाव चक्रों से गुजरेंगे। इसके अतिरिक्त, इस प्रकार की सामग्री विफलता पर 135% तनाव तक प्राप्त कर सकती है जो लचीलापन की डिग्री दर्शाती है। जिन अनुप्रयोगों के लिए उच्च शक्ति वाले आयन जेल की आवश्यकता होती है, वे अक्सर समग्र मजबूती उत्पन्न करने के लिए एक दुर्दम्य मैट्रिक्स का उपयोग करेंगे। यह लिथियम-आयन बैटरी अनुप्रयोगों में विशेष रूप से वांछनीय है, जो सेल में लिथियम  डेन्ड्राइट (क्रिस्टल)  के विकास को रोकना चाहते हैं जिसके परिणामस्वरूप आंतरिक  शार्ट सर्किट  | शॉर्ट-सर्किट हो सकता है। उच्च मापांक, मजबूत, ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स और लिथियम डेन्ड्राइट वृद्धि में कमी के बीच लिथियम-आयन बैटरी | लिथियम-आयन बैटरी में एक संबंध स्थापित किया गया है। इस प्रकार, एक मजबूत आयन जेल समग्र कम आंतरिक शॉर्ट सर्किट विफलताओं के माध्यम से लिथियम-आयन बैटरी की लंबी उम्र में सुधार कर सकता है।

आयन जेल के प्रवाह के लोचदार प्रतिरोध को अक्सर गतिशील यांत्रिक विश्लेषण के माध्यम से मापा जाता है। यह विधि भंडारण मापांक के साथ-साथ हानि मापांक को प्रकट करती है, जो जेल के तनाव-तनाव प्रतिक्रिया को परिभाषित करती है। सभी आयन जैल अर्ध-ठोस से ठोस अवस्था में हैं जो दर्शाता है कि भंडारण मापांक हानि मापांक से अधिक है (यानी लोचदार व्यवहार तरल जैसे व्यवहार को नष्ट करने वाली ऊर्जा पर प्रबल होता है)। भंडारण मापांक की भयावहता और हानि मापांक के अनुपात में समग्र सामग्री की ताकत और क्रूरता तय होती है। आयन जैल के लिए भंडारण मापांक मान विशिष्ट बहुलक-आधारित मैट्रिसेस के लिए लगभग 1.0 kPa से भिन्न हो सकते हैं अपवर्तक-आधारित मैट्रिक्स के लिए लगभग 1.0 एमपीए तक।

समग्र मैट्रिक्स की संरचना अंतिम थोक यांत्रिक गुणों के परिणाम में एक बड़ी भूमिका निभा सकती है। यह अकार्बनिक आधारित मैट्रिक्स सामग्री के लिए विशेष रूप से सच है। कई लैब-स्केल उदाहरणों ने एक सामान्य प्रवृत्ति का प्रदर्शन किया है कि छोटे मैट्रिक्स कण आकार भंडारण मापांक में परिमाण वृद्धि के क्रम में परिणाम कर सकते हैं। यह मैट्रिक्स कणों के उच्च सतह क्षेत्र के आयतन अनुपात और कण और स्थिर आयनिक तरल के बीच नैनोस्केल इंटरैक्शन की उच्च सांद्रता के लिए जिम्मेदार ठहराया गया है। आयन जेल समग्र में घटकों के बीच परस्पर क्रिया बल जितना अधिक होता है, प्लास्टिक विरूपण और समग्र कठोर सामग्री के लिए आवश्यक उच्च बल होता है।

आयन जेल डिजाइन में स्वतंत्रता की एक और डिग्री अंतिम सम्मिश्र में मैट्रिक्स से आयनिक तरल के अनुपात में निहित है। जैसे-जैसे मैट्रिक्स में आयनिक तरल की सांद्रता बढ़ती है, वैसे-वैसे गतिशील मापांक में कमी के अनुरूप सामग्री अधिक तरल-जैसी हो जाएगी। इसके विपरीत, एकाग्रता में कमी आम तौर पर सामग्री को मजबूत करेगी और मैट्रिक्स सामग्री के आधार पर अधिक इलास्टोमेरिक या भंगुर तनाव-तनाव प्रतिक्रिया उत्पन्न कर सकती है। आयनिक तरल में कम सांद्रता में सामान्य व्यापार विशिष्ट अनुप्रयोग के लिए आवश्यक समग्र समग्र अनुकूलन बनाने की आयनिक चालकता में बाद में कमी है।