supercondensatoren, elektrische apparaten die energie opslaan en afgeven, een laag elektrolyt nodig hebben - een elektrisch geleidend materiaal dat vast kan zijn, vloeistof, of ergens tussenin. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van MIT en verschillende andere instellingen hebben een nieuwe klasse vloeistoffen ontwikkeld die nieuwe mogelijkheden kunnen bieden om de efficiëntie en stabiliteit van dergelijke apparaten te verbeteren en tegelijkertijd hun ontvlambaarheid te verminderen.

"Dit proof-of-concept werk vertegenwoordigt een nieuw paradigma voor elektrochemische energieopslag, " zeggen de onderzoekers in hun paper waarin ze de bevinding beschrijven, die vandaag in het tijdschrift verschijnt Natuurmaterialen .

Al decenia, onderzoekers zijn op de hoogte van een klasse materialen die bekend staat als ionische vloeistoffen - in wezen, vloeibare zouten, maar dit team heeft nu aan deze vloeistoffen een verbinding toegevoegd die lijkt op een oppervlakteactieve stof, zoals die worden gebruikt om olielozingen te verspreiden. Met de toevoeging van dit materiaal, de ionische vloeistoffen "hebben zeer nieuwe en vreemde eigenschappen, "inclusief zeer stroperig worden, zegt MIT-postdoc Xianwen Mao Ph.D. '14, de hoofdauteur van het artikel.

"Het is moeilijk voor te stellen dat deze stroperige vloeistof kan worden gebruikt voor energieopslag, " zegt Mao, "maar wat we vinden is dat als we de temperatuur eenmaal verhogen, het kan meer energie opslaan, en meer dan veel andere elektrolyten."

Dat is niet helemaal verwonderlijk, hij zegt, aangezien met andere ionische vloeistoffen, naarmate de temperatuur stijgt, "de viscositeit neemt af en de energieopslagcapaciteit neemt toe." Maar in dit geval, hoewel de viscositeit hoger blijft dan die van andere bekende elektrolyten, de capaciteit neemt zeer snel toe met toenemende temperatuur. Dat geeft het materiaal uiteindelijk een totale energiedichtheid - een maat voor het vermogen om elektriciteit op te slaan in een bepaald volume - die die van veel conventionele elektrolyten overtreft, en met meer stabiliteit en veiligheid.

De sleutel tot de effectiviteit ervan is de manier waarop de moleculen in de vloeistof zichzelf automatisch op één lijn brengen, eindigend in een gelaagde configuratie op het metalen elektrode-oppervlak. de moleculen, die aan het ene uiteinde een soort staart hebben, uitgelijnd met de koppen naar buiten gericht naar de elektrode of er vanaf, en de staarten clusteren allemaal in het midden, een soort sandwich vormen. Dit wordt beschreven als een zelf-geassembleerde nanostructuur.

"De reden waarom het zich zo anders gedraagt" dan conventionele elektrolyten is vanwege de manier waarop de moleculen zichzelf intrinsiek assembleren tot een geordende, gelaagde structuur waar ze in contact komen met een ander materiaal, zoals de elektrode in een supercondensator, zegt T. Alan Hatton, een professor in chemische technologie aan het MIT en de senior auteur van het artikel. "Het vormt een zeer interessante, sandwich-achtig, dubbellaagse structuur."

Deze sterk geordende structuur helpt een fenomeen te voorkomen dat "overscreening" wordt genoemd en dat kan optreden bij andere ionische vloeistoffen, waarin de eerste laag ionen (elektrisch geladen atomen of moleculen) die zich op een elektrodeoppervlak verzamelen meer ionen bevat dan er overeenkomstige ladingen op het oppervlak zijn. Dit kan een meer verspreide verdeling van ionen veroorzaken, of een dikkere meerlaagse ionenlaag, en dus een verlies aan efficiëntie bij energieopslag; "terwijl met ons geval, door de manier waarop alles is gestructureerd, ladingen zijn geconcentreerd in de oppervlaktelaag, ' zegt Hatton.

De nieuwe klasse van materialen, die de onderzoekers SAILs noemen, voor oppervlakteactieve ionische vloeistoffen, kan een verscheidenheid aan toepassingen hebben voor energieopslag op hoge temperatuur, bijvoorbeeld voor gebruik in warme omgevingen zoals bij olieboringen of in chemische fabrieken, volgens Mao. "Onze elektrolyt is zeer veilig bij hoge temperaturen, en zelfs beter presteert, "zegt hij. In tegenstelling, sommige elektrolyten die in lithium-ionbatterijen worden gebruikt, zijn behoorlijk ontvlambaar.

Het materiaal kan helpen om de prestaties van supercondensatoren te verbeteren, zegt Mao. Dergelijke apparaten kunnen worden gebruikt om elektrische lading op te slaan en worden soms gebruikt als aanvulling op batterijsystemen in elektrische voertuigen om een ​​extra vermogen te leveren. Het gebruik van het nieuwe materiaal in plaats van een conventionele elektrolyt in een supercondensator zou de energiedichtheid met een factor vier of vijf kunnen verhogen, zegt Mao. Met behulp van de nieuwe elektrolyt, toekomstige supercondensatoren kunnen zelfs meer energie opslaan dan batterijen, hij zegt, mogelijk zelfs het vervangen van batterijen in toepassingen zoals elektrische voertuigen, persoonlijke elektronica, of energieopslagfaciliteiten op netniveau.

Het materiaal kan ook nuttig zijn voor een verscheidenheid aan opkomende scheidingsprocessen, zegt Mao. "Veel nieuw ontwikkelde scheidingsprocessen vereisen elektrische besturing, " in verschillende chemische verwerkings- en raffinagetoepassingen en bij het afvangen van kooldioxide, bijvoorbeeld, evenals de terugwinning van hulpbronnen uit afvalstromen. Deze ionische vloeistoffen, zeer geleidend zijn, geschikt zou kunnen zijn voor veel van dergelijke toepassingen, hij zegt.

Het materiaal dat ze aanvankelijk ontwikkelden, is slechts een voorbeeld van een verscheidenheid aan mogelijke SAIL-verbindingen. "De mogelijkheden zijn bijna onbeperkt, ", zegt Mao. Het team zal blijven werken aan verschillende variaties en aan het optimaliseren van de parameters voor bepaalde toepassingen. "Het kan een paar maanden of jaren duren, " hij zegt, "maar werken aan een nieuwe klasse materialen is heel spannend om te doen. Er zijn veel mogelijkheden voor verdere optimalisatie."

Het onderzoeksteam omvatte Paul Brown, Yinying Ren, Agilio Padua, en Margarida Costa Gomes aan het MIT; Ctirad Cervinka aan de École Normale Supérieure de Lyon, In Frankrijk; Gavin Hazell en Julian Eastoe aan de Universiteit van Bristol, in het Verenigd Koninkrijk.; Hua Li en Rob Atkin aan de Universiteit van West-Australië; en Isabelle Grillo aan het Institut Max-von-Laue-Paul-Langevin in Grenoble, Frankrijk. De onderzoekers dragen hun paper op aan de nagedachtenis van Grillo, die onlangs is overleden.

"Het is een zeer opwindend resultaat dat oppervlakteactieve ionische vloeistoffen (SAIL's) met amfifiele structuren zichzelf kunnen assembleren op elektrode-oppervlakken en de prestaties van ladingopslag op geëlektrificeerde oppervlakken kunnen verbeteren, " zegt Yi Cui, een professor in materiaalkunde en techniek aan de Stanford University, die niet bij dit onderzoek betrokken was. "De auteurs hebben het mechanisme bestudeerd en begrepen. Het werk hier kan een grote impact hebben op het ontwerp van supercondensatoren met hoge energiedichtheid, en kan ook helpen de batterijprestaties te verbeteren, " hij zegt.

Nicolaas Abbott, een universiteitshoogleraar scheikunde aan de Cornell University, die ook niet bij dit werk betrokken was, zegt:"Het artikel beschrijft een zeer slimme vooruitgang in de opslag van grensvlakladingen, elegant demonstreren hoe kennis van moleculaire zelfassemblage op interfaces kan worden benut om een ​​hedendaagse technologische uitdaging aan te gaan."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.