Суперконденсаторы, электрических устройств, которые хранят и выпускают энергию, нужен слой электролита — электропроводящий материал, который может быть твердым, жидким, или где-то посередине. Теперь, исследователи из Массачусетского технологического института и ряда других учреждений разработали новый класс жидкостей, которые могут открыть новые возможности для улучшения эффективности и стабильности работы таких устройств при одновременном снижении их горючесть.
“Это доказательство концепции работы представляет собой новую парадигму для электрохимического хранения энергии”, — говорят исследователи в своей статье описываю вывод, который появится сегодня в журнале Nature материалы.
На протяжении десятилетий исследователи были осведомлены о классе материалов, известных как ионные жидкости — по сути, жидкие соли — эта команда сейчас помимо этих жидкостей в смеси, подобное поверхностно-активного вещества, как те, которые используются для разгона разливов нефти. С добавлением этого материала, ионных жидкостей “очень новые и необычные свойства”, в том числе становится очень вязкой, говорит МИТ постдок Xianwen Мао н. ’14, ведущий автор бумаги.
“Трудно представить, что эта вязкая жидкость может использоваться для хранения энергии,” Мао говорит: “но мы обнаружили, что при повышении температуры, это может сохранить больше энергии, и больше, чем многие другие электролиты.”
Это не совсем удивительно, говорит он, поскольку с другими ионные жидкости, как температура увеличивается “вязкость уменьшается и энергию емкость увеличивается.” Но в этом случае, хотя вязкость остается выше, чем у других известных электролитов, способность очень быстро увеличивается с повышением температуры. Что в конечном итоге дает материала Общей плотностью энергии — мера его способности накапливать электричество в заданном объеме — это больше, чем у многих обычных электролитов, и с большей стабильности и безопасности.
Ключ к эффективности-это путь молекулы внутри жидкости автоматически сами выстраиваются, заканчивая в слоистой конфигурации на поверхности металла электрода. Молекулы, которые имеют своего рода хвост на одном конце, с головами, обращенными наружу к электроду или от него, и хвосты все кластером посередине, образуя своеобразный бутерброд. Это описано как самоорганизующихся наноструктур.
“Причина, почему он ведет себя так по-разному” из обычных электролитов, так как молекулы внутренне собрался в упорядоченную, многоуровневую структуру, где они вступают в контакт с другим материалом, например, электрод внутри ионистор, говорит Т. Алан Хаттон, профессор химической инженерии в Массачусетском технологическом институте и старший автор бумаги. “Она образует очень интересные, сэндвич-типа, структура двойн-слоя”.
Это высокоупорядоченная структура помогает предотвратить явление, называемое “overscreening”, что может произойти с другими ионными жидкостями, в которых первый слой из ионов (электрически заряженных атомов или молекул), которые собирают на поверхности электрода содержится больше ионов, чем есть соответствующая зарядов на поверхности. Это может привести к более рассеянное распределение ионов, или ионные многослойной толще, и, следовательно, потери в эффективности накопления энергии; “а в нашем случае, так как все структурировано, заряды сосредоточены в поверхностном слое,” Хаттон говорит.
Новый класс материалов, который исследователи называют парусов, для поверхностно-активных ионных жидкостей, могут иметь различные применения для высокотемпературного накопителя энергии, например, для использования в горячих средах, например в бурении нефтяных скважин или на химических заводах, по словам Мао. “Наш электролит является очень безопасным при высоких температурах, и даже работает лучше”, — говорит он. В отличие от некоторых электролитов в литий-ионные аккумуляторы являются довольно пожароопасными.
Материал может способствовать повышению эффективности суперконденсаторов, Мао говорит. Такие устройства могут использоваться для хранения электрического заряда и иногда используются в дополнение к системам батарей в электрических транспортных средств, чтобы обеспечить дополнительное повышение мощности. Используя новый материал вместо обычного электролита в суперконденсатор может увеличить плотность энергии в четыре или пять, Мао говорит. С помощью нового электролита, будущих суперконденсаторов может даже быть в состоянии хранить больше энергии, чем батареи, говорит, что он, возможно, даже замена батареи в приложениях, таких как электрические транспортные средства, персональной электроники, или сетки-энергетический уровень хранения.
Материал также может быть полезной для разных новых процессов разделения, Мао говорит. “Многие из вновь разработанных процессов разделения требует электрического управления,” в различных химической обработки и переработки приложений и улавливания диоксида углерода, например, а также восстановление ресурсов из отходов. Эти ионные жидкости, будучи с высокой проводимостью, может быть хорошо подходит для многих подобных приложений, говорит он.
Материал они изначально развивались только пример из множества возможных соединений Парус. “Возможности практически неограниченные,” Мао говорит. Команда продолжит работу над различными вариациями и оптимизации ее параметров для конкретного применения. “Это может занять несколько месяцев или лет, — говорит он, — но работаем над новым классом материалов очень интересно делать. Есть много возможностей для дальнейшей оптимизации”.
Исследовательская группа включала Пол Браун, Yinying Рен, Agilio Падуи, и Маргарита Кошта Гомеш в Массачусетском технологическом институте; Цтирад Червинка в normale школа школа в Лионе, во Франции; Гэвин Хэйзел, и Джулиан Eastoe в Университете Бристоля, в Великобритании; Хуа Ли и Роб Эткина в Университете Западной Австралии, и Изабель Грилло Института Макса фон Лауэ-поля-Ланжевена в Гренобле, Франция. Исследователи посвящают свои бумаги в память Грилло, который недавно скончался.
“Это очень интересный результат, что поверхностно-активные ионные жидкости (паруса) с амфифильными структурами можете самостоятельно собрать на Электродной поверхности и повысить плату за выступления на наэлектризованных поверхностях”, — говорит Йи Кюи, профессор материаловедения и инженерии в Стэнфордском университете, который не был связан с этим исследованием. “Авторы изучили и поняли механизм. Работа здесь может иметь большое влияние на дизайн высокая плотность энергии ионисторов, а также может помочь улучшить производительность батареи”, — говорит он.
Николай Эббот, Тиш университета профессор Корнелльского университета, который также не участвовал в этой работе, говорит: “в статье описывается очень умного продвижения в межфазный заряд хранения, элегантно демонстрируя как знание молекулярной самосборки интерфейсы могут быть использованы для решения современных технологических задач”.
Работа поддержана инициатива Массачусетского технологического института энергетики, стипендий Сколтех и MIT, и чешского научного фонда.
