Modellering afslører ny indsigt i ioniske væskers elektriske ledningsevne

En fælles undersøgelse har afsløret ny indsigt i, hvordan ioniske væsker ved stuetemperatur (RTIL'er) leder elektricitet, hvilket kan have en stor potentiel indflydelse på fremtidens energilagring.

Forskningen fokuserer på debatten omkring den fysiske mekanisme for elektrisk ledningsevne af RTIL'er. Deres ladede positive og negative organiske ioner får dem til at være gode ledere, men konduktiviteten virker paradoksal. Deres høje ledningsevne skyldes deres høje densitet af ladede ioner i væsken, men denne tæthed bør også betyde, at de positive og negative ioner er tæt nok til at neutralisere hinanden, skabe nyt, neutrale partikler, som ikke kan understøtte en elektrisk strøm. Modelleringen forsøger at identificere, hvordan ledningsevne opretholdes i RTIL'er i lyset af disse modstridende faktorer.

Forskningen involverede en international gruppe forskere, herunder professor Nikolai Brilliantov fra University of Leicester og ledet af professor Alexei Kornyshev fra Imperial College London og professor Guang Feng fra Huazhong University of Science and Technology.

Forskere udarbejdede særlige numeriske metoder og teoretiske metoder til at spore dynamikken i partikler i RTIL'er. De opdagede, at det meste af tiden, positive og negative ioner bor sammen i neutrale par eller klynger, danner et neutralt stof, der ikke kan lede elektricitet. Fra tid til anden dog positive og negative ioner opstår parvis som ladede partikler i forskellige dele af væsken, gør væsken ledende.

Fremkomsten af ​​disse ioner skyldes termiske udsving. Pludselig og tilfældigt modtager ionerne en portion energi fra den omgivende væske, som hjælper dem med at frigøre sig fra den "parrede" neutrale tilstand og blive frit ladede partikler. Denne tilstand er kun midlertidig, dog:efter nogen tid, de vil vende tilbage til deres parrede neutrale tilstand, når de slutter sig til en anden ion med modsat ladning.

Da dette sker, et andet ionisk par andre steder i væsken deler sig i frit ladede partikler, derved opretholde væskens ledningsevne og dens elektriske strøm i en slags igangværende "relæløb" af ladninger. Dette ligner den adfærd, der observeres i krystallinske halvledere, hvor de positive og negative ladningsbærere også opstår parvis på grund af termiske udsving. Det forventes derfor, at en lang række fysiske fænomener observeret i halvledere også kan blive afsløret i RTIL'er i fremtiden.

Ligesom disse fænomener i halvledere udnyttes til mange anvendelser, denne forskning afslører, at der også kan være potentiale for, at RTIL'er kan udnyttes på nye og innovative måder, med mulige anvendelser lige fra superkapacitorer, brændselsceller og batterier til forskellige strømudstyr.

Professor Brilliantov, Formand i anvendt matematik og University of Leicesters ledelse af projektet, sagde:"Forståelse af konduktivitetsmekanismen for RTIL'er ser ud til at åbne nye horisonter i designet af ioniske væsker med de ønskede elektriske egenskaber."