Ny type elektrolyt kan forbedre superkondensatorens ydeevne

Superkondensatorer, elektriske enheder, der lagrer og frigiver energi, brug for et lag elektrolyt - et elektrisk ledende materiale, der kan være fast, væske, eller et sted midt imellem. Nu, forskere ved MIT og flere andre institutioner har udviklet en ny klasse af væsker, der kan åbne op for nye muligheder for at forbedre effektiviteten og stabiliteten af ​​sådanne enheder og samtidig reducere deres brændbarhed.

"Dette proof-of-concept arbejde repræsenterer et nyt paradigme for elektrokemisk energilagring, " siger forskerne i deres papir, der beskriver fundet, som står i dagbladet Naturmaterialer .

I årtier, forskere har været opmærksomme på en klasse af materialer kendt som ioniske væsker - i det væsentlige, flydende salte - men dette hold har nu tilføjet en forbindelse til disse væsker, der ligner et overfladeaktivt stof, som dem der bruges til at sprede olieudslip. Med tilføjelsen af ​​dette materiale, de ioniske væsker "har meget nye og mærkelige egenskaber, "herunder at blive meget viskøs, siger MIT postdoc Xianwen Mao Ph.D. '14, avisens hovedforfatter.

"Det er svært at forestille sig, at denne tyktflydende væske kan bruges til energilagring, " Mao siger, "men det, vi finder, er, at når vi hæver temperaturen, det kan lagre mere energi, og mere end mange andre elektrolytter."

Det er ikke helt overraskende, han siger, da med andre ioniske væsker, når temperaturen stiger, "viskositeten falder, og energilagringskapaciteten øges." Men i dette tilfælde, selvom viskositeten forbliver højere end andre kendte elektrolytter, kapaciteten øges meget hurtigt med stigende temperatur. Det ender med at give materialet en samlet energitæthed - et mål for dets evne til at lagre elektricitet i et givet volumen - der overstiger den for mange konventionelle elektrolytter, og med større stabilitet og sikkerhed.

Nøglen til dens effektivitet er den måde, hvorpå molekylerne i væsken automatisk stiller sig op, ender i en lagdelt konfiguration på metalelektrodeoverfladen. Molekylerne, som har en slags hale i den ene ende, stille op med hovederne vendt udad mod elektroden eller væk fra den, og halerne klynger sig alle sammen i midten, danner en slags sandwich. Dette beskrives som en selvsamlet nanostruktur.

"Grunden til, at det opfører sig så anderledes" end konventionelle elektrolytter, er på grund af den måde, molekylerne i sig selv samler sig i en ordnet, lagdelt struktur, hvor de kommer i kontakt med et andet materiale, såsom elektroden inde i en superkondensator, siger T. Alan Hatton, en professor i kemiteknik ved MIT og avisens seniorforfatter. "Det danner en meget interessant, sandwich-lignende, dobbeltlagsstruktur."

Denne meget velordnede struktur hjælper med at forhindre et fænomen kaldet "overscreening", der kan forekomme med andre ioniske væsker, hvor det første lag af ioner (elektrisk ladede atomer eller molekyler), der samler sig på en elektrodeoverflade, indeholder flere ioner, end der er tilsvarende ladninger på overfladen. Dette kan forårsage en mere spredt fordeling af ioner, eller et tykkere ion-flerlag, og dermed et tab af effektivitet i energilagring; "derimod med vores sag, på grund af måden alt er struktureret på, ladninger er koncentreret i overfladelaget, " siger Hatton.

Den nye klasse af materialer, som forskerne kalder SAILs, til overfladeaktive ioniske væsker, kunne have en række anvendelser til højtemperaturenergilagring, for eksempel til brug i varme miljøer såsom i olieboring eller i kemiske anlæg, ifølge Mao. "Vores elektrolyt er meget sikker ved høje temperaturer, og endda yder bedre, " siger han. I modsætning hertil nogle elektrolytter, der bruges i lithium-ion-batterier, er ret brandfarlige.

Materialet kan hjælpe med at forbedre ydeevnen af ​​superkondensatorer, Mao siger. Sådanne enheder kan bruges til at opbevare elektrisk ladning og bruges nogle gange til at supplere batterisystemer i elektriske køretøjer for at give et ekstra boost af strøm. Brug af det nye materiale i stedet for en konventionel elektrolyt i en superkondensator kunne øge dets energitæthed med en faktor på fire eller fem, Mao siger. Ved at bruge den nye elektrolyt, fremtidige superkondensatorer kan endda være i stand til at lagre mere energi end batterier, han siger, potentielt endda udskiftning af batterier i applikationer som elbiler, personlig elektronik, eller energilageranlæg på netniveau.

Materialet kan også være nyttigt til en række nye separationsprocesser, Mao siger. "Mange nyudviklede separationsprocesser kræver elektrisk kontrol, "i forskellige kemiske behandlings- og raffineringsapplikationer og i kuldioxidopsamling, for eksempel, samt ressourcegenvinding fra affaldsstrømme. Disse ioniske væsker, være meget ledende, kunne være velegnet til mange sådanne applikationer, han siger.

Materialet, de oprindeligt udviklede, er blot et eksempel på en række mulige SAIL-forbindelser. "Mulighederne er næsten ubegrænsede, " siger Mao. Holdet vil fortsætte med at arbejde på forskellige variationer og på at optimere dets parametre til bestemte anvendelser. "Det kan tage et par måneder eller år, " han siger, "men det er meget spændende at arbejde på en ny klasse af materialer. Der er mange muligheder for yderligere optimering."

Forskerholdet omfattede Paul Brown, Yinying Ren, Agilio Padua, og Margarida Costa Gomes ved MIT; Ctirad Cervinka ved École Normale Supérieure de Lyon, i Frankrig; Gavin Hazell og Julian Eastoe ved University of Bristol, i Storbritannien.; Hua Li og Rob Atkin ved University of Western Australia; og Isabelle Grillo ved Institut Max-von-Laue-Paul-Langevin i Grenoble, Frankrig. Forskerne dedikerer deres papir til mindet om Grillo, der for nylig afgik ved døden.

"Det er et meget spændende resultat, at overfladeaktive ioniske væsker (SAIL'er) med amfifile strukturer kan samle sig selv på elektrodeoverflader og forbedre ladningslagringsydelsen på elektrificerede overflader, " siger Yi Cui, professor i materialevidenskab og ingeniørvidenskab ved Stanford University, som ikke var tilknyttet denne forskning. "Forfatterne har studeret og forstået mekanismen. Arbejdet her kan have stor indflydelse på designet af superkondensatorer med høj energitæthed, og kan også hjælpe med at forbedre batteriets ydeevne, " han siger.

Nicholas Abbott, en universitetsprofessor i kemi ved Cornell University, som heller ikke var involveret i dette arbejde, siger "Avisen beskriver et meget smart fremskridt inden for lagring af grænsefladeladninger, elegant demonstrerer, hvordan viden om molekylær selvsamling ved grænseflader kan udnyttes til at løse en moderne teknologisk udfordring."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.