Ionische vloeistoffen - zouten gemaakt door het combineren van positief geladen moleculen (kationen) en negatief geladen moleculen (anionen) die vloeibaar zijn bij relatief lage temperaturen, vaak onder kamertemperatuur - worden steeds vaker onderzocht voor gebruik in batterijen, supercondensatoren, en transistoren. Hun unieke fysische en chemische eigenschappen, inclusief goede ionengeleiding, lage ontvlambaarheid en vluchtigheid, en hoge thermische stabiliteit, maken ze zeer geschikt voor dergelijke toepassingen. Maar er bestaan ​​duizenden ionische vloeistoffen en hoe ze precies interageren met de geëlektrificeerde oppervlakken van elektroden blijft slecht begrepen, waardoor het moeilijk is om de juiste ionische vloeistof voor een bepaalde toepassing te kiezen.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben een nieuwe methode gedemonstreerd om in realtime te observeren hoe de ionen van dergelijke vloeistoffen bewegen en opnieuw configureren wanneer verschillende spanningen op de elektroden worden toegepast. De methode wordt beschreven in een paper gepubliceerd op 12 mei in de online editie van Geavanceerde materialen .

"Wanneer ionische vloeibare elektrolyten in contact komen met een geëlektrificeerde elektrode, een speciale structuur bestaande uit afwisselende lagen kationen en anionen - een elektrische dubbellaag (EDL) genoemd - vormt zich op dat grensvlak, " zei eerste auteur Wattaka Sitaputra, een wetenschapper bij Brookhaven's Centre for Functional Nanomaterials (CFN), een DOE Office of Science User Facility waar het onderzoek is uitgevoerd. "Maar het volgen van de realtime evolutie van de EDL, waar de elektrochemische reacties plaatsvinden in batterijen, is moeilijk omdat het erg dun is (slechts een paar nanometer dik) en begraven door het grootste deel van de ionische vloeistof."

Tot nu, wetenschappers hebben de initiële en definitieve EDL-structuren alleen kunnen bekijken met behulp van microscopie- en spectroscopietechnieken; de tussenliggende structuur is moeilijker te onderzoeken. Om de structurele veranderingen van de EDL en de beweging van ionen te visualiseren terwijl er spanning op de elektroden wordt toegepast, het Brookhaven-team gebruikte een beeldvormingstechniek genaamd foto-emissie-elektronenmicroscopie (PEEM). Bij deze techniek, oppervlakte-elektronen worden geëxciteerd met een energiebron en versneld tot een elektronenmicroscoop, waar ze door vergrotende lenzen gaan voordat ze worden geprojecteerd op een detector die de elektronen registreert die vanaf het oppervlak worden uitgezonden. Lokale variaties in de intensiteiten van het foto-emissiesignaal worden vervolgens gebruikt om contrastbeelden van het oppervlak te genereren. In dit geval, het team gebruikte ultraviolet licht om de elektronen te exciteren op de oppervlakken van zowel de ionische vloeistof (bekend als EMMIM TFSI) die ze als dunne films afzetten en twee gouden elektroden die ze fabriceerden.

"Het hele oppervlak in beeld brengen, inclusief de elektroden en de ruimte ertussen, stelt ons in staat om niet alleen de evolutie van de structuur van de ionische vloeistof-elektrode-interface te bestuderen, maar ook om beide elektroden tegelijkertijd te onderzoeken terwijl verschillende omstandigheden van het systeem worden gewijzigd, " zei CFN-wetenschapper en co-auteur Jerzy (Jurek) Sadowski.

In deze eerste demonstratie het team veranderde de spanning op de elektroden, de dikte van de ionische vloeistoffilms, en de temperatuur van het systeem, allemaal terwijl ze veranderingen in de intensiteit van de foto-emissie monitoren.

De wetenschappers ontdekten dat de ionen (die normaal gesproken in een dambordachtige configuratie voor deze ionische vloeistof lagen) bewegen en zichzelf rangschikken volgens het teken en de grootte van de aangelegde spanning. Kationen trekken naar de elektrode met de negatieve voorspanning om de lading tegen te gaan, en vice versa voor anionen.

Naarmate het potentiaalverschil tussen de twee elektroden toeneemt, een zeer dichte laag kationen of anionen kan zich ophopen in de buurt van de voorgespannen elektrode, voorkomen dat verdere ionen van dezelfde lading zich daarheen verplaatsen (een fenomeen dat overbevolking wordt genoemd) en de mobiliteit van ionen verminderen.

Ze ontdekten ook dat meer tegenionen zich verzamelen in de buurt van de voorgespannen elektrode in dikkere films.

"Voor zeer dunne films, het aantal ionen dat beschikbaar is voor herschikking is klein, dus de EDL-laag kan zich mogelijk niet vormen, " zei Sitaputra. "In de dikkere films, er zijn meer ionen beschikbaar en ze hebben meer bewegingsruimte. Ze haasten zich naar de interface en verspreiden zich dan terug in de massa bij overbevolking om een ​​stabielere structuur te vormen."

Het team onderzocht verder het belang van mobiliteit in het herschikkingsproces door de dikkere film af te koelen totdat de ionen vrijwel niet meer bewegen.

Volgens de ploeg PEEM toepassen op een operando-experiment is vrij nieuw en is nog nooit gedaan voor ionische vloeistoffen.

"We moesten verschillende technische uitdagingen overwinnen in de experimentele opstelling, inclusief het ontwerpen en fabriceren van de elektroden met goudpatroon en het opnemen van de monsterhouder in de elektronenmicroscoop, " legde Sadowski uit. "Ionische vloeistoffen zijn waarschijnlijk niet onderzocht met deze techniek, omdat het niet intuïtief lijkt om een ​​vloeistof in een ultrahoog vacuüm gebaseerde microscoop te plaatsen."

Het team is van plan hun onderzoek voort te zetten met behulp van het nieuwe aberratie-gecorrigeerde lage-energie-elektronenmicroscoop (LEEM)/PEEM-systeem, geïnstalleerd via een samenwerking tussen CFN en de National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), een andere DOE Office of Science User Facility in Brookhaven - bij NSLS-II's elektronenspectro-microscopiebundellijn. Met dit systeem kan het team niet alleen de structurele en elektronische veranderingen bestuderen, maar ook de chemische veranderingen van de ionische vloeistof-elektrode-interface - en dat allemaal in één enkel experiment. Door deze unieke eigenschappen te bepalen, wetenschappers zullen in staat zijn om de optimale ionische vloeistoffen te selecteren voor specifieke energieopslagtoepassingen.