Joniska vätskor - salter framställda genom att kombinera positivt laddade molekyler (katjoner) och negativt laddade molekyler (anjoner) som är flytande vid relativt låga temperaturer, ofta under rumstemperatur - undersöks alltmer för användning i batterier, superkondensatorer, och transistorer. Deras unika fysikaliska och kemiska egenskaper, inklusive bra jonisk konduktivitet, låg brandfarlighet och flyktighet, och hög termisk stabilitet, gör dem väl lämpade för sådana applikationer. Men tusentals joniska vätskor finns och exakt hur de interagerar med elektrifierade ytor på elektroder förblir dåligt förstått, vilket gör det svårt att välja rätt jonisk vätska för en viss tillämpning.

Nu, forskare vid US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory har visat en ny metod för att i realtid observera hur jonerna i sådana vätskor rör sig och omkonfigureras när olika spänningar appliceras på elektroderna. Metoden beskrivs i en artikel publicerad den 12 maj i onlineutgåvan av Avancerade material .

"När joniska flytande elektrolyter kommer i kontakt med en elektrifierad elektrod, en speciell struktur bestående av alternerande lager av katjoner och anjoner - kallade ett elektriskt dubbelskikt (EDL) - bildas vid det gränssnittet, "sa författaren Wattaka Sitaputra, en forskare vid Brookhaven's Center for Functional Nanomaterials (CFN), en DOE Office of Science User Facility där forskningen genomfördes. "Men spåra utvecklingen av EDL i realtid, där de elektrokemiska reaktionerna sker i batterier, är svårt eftersom det är mycket tunt (bara några nanometer tjockt) och begravt av huvuddelen av den joniska vätskan. "

Tills nu, forskare har bara kunnat titta på de inledande och sista EDL -strukturerna med hjälp av mikroskopi- och spektroskopitekniker; mellanstrukturen har varit svårare att sondera. För att visualisera de strukturella förändringarna av EDL och rörelsen av joner när spänning appliceras på elektroderna, Brookhaven -teamet använde en bildteknik som kallas fotoemission elektronmikroskopi (PEEM). I denna teknik, ytelektroner exciteras med en energikälla och accelereras till ett elektronmikroskop, där de passerar genom förstoringslinser innan de projiceras på en detektor som registrerar elektronerna från ytan. Lokala variationer i fotoemissionssignalens intensitet används sedan för att generera kontrastbilder av ytan. I detta fall, laget använde ultraviolett ljus för att excitera elektronerna på ytorna på både den joniska vätskan (känd som EMMIM TFSI) de deponerade som tunna filmer och två guldelektroder som de tillverkade.

"Imaging hela ytan, inklusive elektroderna och utrymmet mellan dem, tillåter oss att studera inte bara utvecklingen av strukturen för det joniska vätske-elektrodgränssnittet utan också att sondera båda elektroderna samtidigt under förändring av olika förhållanden i systemet, "sa CFN -forskaren och medförfattaren Jerzy (Jurek) Sadowski.

I denna första demonstration, laget ändrade spänningen som applicerades på elektroderna, tjockleken på de joniska flytande filmerna, och temperaturen på systemet, allt under övervakning av förändringar i fotoemissionsintensitet.

Forskarna fann att jonerna (som normalt ligger i en schackbrädeliknande konfiguration för denna joniska vätska) rör sig och ordnar sig efter tecknet och storleken på den applicerade spänningen. Katjoner dras mot elektroden med den negativa förspänningen för att motverka laddningen, och vice versa för anjoner.

När skillnaden i potential ökar mellan de två elektroderna, ett mycket tätt lager av katjoner eller anjoner kan ackumuleras nära den förspända elektroden, förhindra ytterligare joner av samma laddning från att flytta dit (ett fenomen som kallas överbeläggning) och minska jonrörligheten.

De upptäckte också att fler motjoner samlas nära den förspända elektroden i tjockare filmer.

"För mycket tunna filmer, antalet joner som är tillgängliga för omarrangemang är litet så EDL -lagret kanske inte kan bildas, "sa Sitaputra." I de tjockare filmerna, fler joner är tillgängliga och de har mer utrymme att röra på sig. De rusar till gränssnittet och sprider sig sedan tillbaka till massan vid överbeläggning för att bilda en mer stabil struktur. "

Teamet undersökte vidare vikten av rörlighet i omorganisationsprocessen genom att kyla den tjockare filmen tills jonerna nästan slutade röra sig.

Enligt laget, att tillämpa PEEM på ett operando -experiment är ganska nytt och har aldrig gjorts för joniska vätskor.

"Vi var tvungna att övervinna flera tekniska utmaningar i den experimentella installationen, inklusive utformning och tillverkning av de guldmönstrade elektroderna och införlivande av provhållaren i elektronmikroskopet, "förklarade Sadowski." Joniska vätskor har förmodligen inte undersökts genom denna teknik eftersom det verkar kontraintuitivt att sätta en vätska i ett ultrahögt vakuumbaserat mikroskop. "

Teamet planerar att fortsätta sin forskning med hjälp av det nya aberrationskorrigerade lågenergi-elektronmikroskopet (LEEM)/PEEM-systemet-installerat genom ett partnerskap mellan CFN och National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), en annan DOE Office of Science User Facility på Brookhaven-vid NSLS-II:s elektronspektro-mikroskopi-strålning. Detta system gör det möjligt för teamet att studera inte bara de strukturella och elektroniska förändringarna utan också de kemiska förändringarna i det joniska vätske-elektrodgränssnittet-allt i ett enda experiment. Genom att bestämma dessa unika egenskaper, forskare kommer att kunna välja de optimala joniska vätskorna för specifika energilagringsapplikationer.