A dual theoretical and experimental approach about transporting conduction process on Chitosan/VAVTD films

Abstract

Los electrolitos poliméricos en fase gel (GPEs) son materiales que han despertado un gran interés por su función como sustitutos de electrolitos líquidos en dispositivos de almacenamiento de energía. El quitosano es un biopolímero semisintético obtenido a partir de la quitina que pertenece al grupo del poli(aminosacáridos). La aplicación de quitosano en dispositivos energéticos depende de sus propiedades químicas y mecánicas. Sin embargo, cuando se somete a soluciones iónicas, el quitosano se vuelve menos estable. De ahí la importancia de buscar polímeros host que brinden estabilidad mecánica manteniendo las propiedades de conducción iónica, lo cual se logró en este trabajo con la aplicación poli(vinil acetato-co-butilacrilato-co-neodecanoato) (VAVTD). Los GPE se sintetizaron utilizando el método de fundición en solución. Los estudios computacionales se obtuvieron a partir del método DFT y la simulación molecular se realizó con el software Avogadro. Los monómeros se optimizaron con el método híbrido funcional B3LYP, Def2-TZVPcomo conjunto de base, e incluyendo D3BJ como el hecho de corrección de la dispersión de Grimme. Las técnicas estructurales de XRD, TGA/DTG y FTIR demostraron una reestructuración del electrolito cuando se introduce KOH en el interior. Esta reestructuración aumenta el dominio amorfo del electrolito, generando una alta conductividad iónica. En cuanto a las técnicas electroquímicas, se obtuvo un aumento de la conductividad con valores del orden de 0,054 S/cm, la energía de activación de 0,0368 eV y valores superiores a 400 mA/cm2a 20 °C en voltametría. Por otro lado, los cálculos de DTF propusieron que la vía de transporte iónico paralas GPE basadas en CS/VAVTD es el mecanismo de Grotthuss. Mediante simulaciones moleculares, se observó que las membranas con un alto contenido de veova10perdían la propiedad de conducción iónica debido al aumento de la no polaridad generada por este monómero. Finalmente, se sintetizaron y caracterizaron membranas de quitosano y VAVTD, que mostraron una excelente resistencia mecánica gracias al terpolímero y una alta conductividad iónica gracias a la capacidad de ab-sorción, movilidad e interacción molecular del quitosano. Además, las simulaciones computacionales revelan que la interacción iónica entre el monómero de quitosano y los iones OH−para formar moléculas de H2O es el complejo aniónico más estable, verificando el mecanismo propuesto. Estos resultados sugieren que el material es adecuado para su aplicación en dispositivos de almacenamiento de energía.