Superkondensatorer, elektriska apparater som lagrar och frigör energi, behöver ett lager av elektrolyt – ett elektriskt ledande material som kan vara fast, flytande, eller någonstans däremellan. Nu, Forskare vid MIT och flera andra institutioner har utvecklat en ny klass av vätskor som kan öppna upp nya möjligheter för att förbättra effektiviteten och stabiliteten hos sådana enheter samtidigt som de minskar deras brandfarlighet.

"Detta proof-of-concept-arbete representerar ett nytt paradigm för elektrokemisk energilagring, " säger forskarna i sin uppsats som beskriver fyndet, som finns i dagboken idag Naturmaterial .

I årtionden, forskare har varit medvetna om en klass av material som kallas joniska vätskor - i huvudsak, flytande salter — men detta team har nu lagt till dessa vätskor en förening som liknar ett ytaktivt ämne, som de som används för att skingra oljeutsläpp. Med tillägg av detta material, de joniska vätskorna "har mycket nya och konstiga egenskaper, "inklusive att bli mycket viskös, säger MIT postdoc Xianwen Mao Ph.D. '14, tidningens huvudförfattare.

"Det är svårt att föreställa sig att denna trögflytande vätska skulle kunna användas för energilagring, "Mao säger, "men vad vi finner är att när vi höjer temperaturen, det kan lagra mer energi, och mer än många andra elektrolyter."

Det är inte helt förvånande, han säger, eftersom med andra joniska vätskor, när temperaturen ökar, "viskositeten minskar och energilagringskapaciteten ökar." Men i det här fallet, även om viskositeten förblir högre än för andra kända elektrolyter, kapaciteten ökar mycket snabbt med ökande temperatur. Det slutar med att materialet får en total energitäthet - ett mått på dess förmåga att lagra elektricitet i en given volym - som överstiger den hos många konventionella elektrolyter, och med större stabilitet och säkerhet.

Nyckeln till dess effektivitet är hur molekylerna i vätskan automatiskt radar upp sig, hamnar i en skiktad konfiguration på metallelektrodytan. Molekylerna, som har en sorts svans i ena änden, ställa upp med huvudena vända utåt mot elektroden eller bort från den, och alla svansarna samlas i mitten, bildar en slags smörgås. Detta beskrivs som en egenmonterad nanostruktur.

"Anledningen till att den beter sig så annorlunda" från konventionella elektrolyter är på grund av hur molekylerna i sig själva sätter ihop sig till en ordnad, skiktad struktur där de kommer i kontakt med annat material, såsom elektroden inuti en superkondensator, säger T. Alan Hatton, en professor i kemiteknik vid MIT och tidningens senior författare. "Det bildar en mycket intressant, smörgåsliknande, dubbelskiktsstruktur."

Denna högordnade struktur hjälper till att förhindra ett fenomen som kallas "överscreening" som kan uppstå med andra joniska vätskor, där det första lagret av joner (elektriskt laddade atomer eller molekyler) som samlas på en elektrodyta innehåller fler joner än det finns motsvarande laddningar på ytan. Detta kan orsaka en mer spridd fördelning av joner, eller ett tjockare jonflerskikt, och därmed en förlust av effektivitet vid energilagring; "medan i vårt fall, på grund av hur allt är uppbyggt, laddningar är koncentrerade i ytskiktet, " säger Hatton.

Den nya klassen av material, som forskarna kallar SAILs, för ytaktiva joniska vätskor, kan ha en mängd olika tillämpningar för högtemperaturenergilagring, till exempel för användning i heta miljöer som vid oljeborrning eller i kemiska anläggningar, enligt Mao. "Vår elektrolyt är mycket säker vid höga temperaturer, och till och med presterar bättre, " säger han. Däremot vissa elektrolyter som används i litiumjonbatterier är ganska brandfarliga.

Materialet kan hjälpa till att förbättra prestanda hos superkondensatorer, säger Mao. Sådana enheter kan användas för att lagra elektrisk laddning och används ibland för att komplettera batterisystem i elfordon för att ge en extra kraftökning. Att använda det nya materialet istället för en konventionell elektrolyt i en superkondensator kan öka dess energitäthet med en faktor fyra eller fem, säger Mao. Genom att använda den nya elektrolyten, framtida superkondensatorer kanske till och med kan lagra mer energi än batterier, han säger, potentiellt till och med byta batterier i applikationer som elfordon, personlig elektronik, eller energilagringsanläggningar på nätnivå.

Materialet kan också vara användbart för en mängd nya separationsprocesser, säger Mao. "Många nyutvecklade separationsprocesser kräver elektrisk kontroll, " i olika kemiska bearbetnings- och raffineringsapplikationer och vid avskiljning av koldioxid, till exempel, samt resursåtervinning från avfallsströmmar. Dessa joniska vätskor, vara mycket ledande, kan vara väl lämpad för många sådana applikationer, han säger.

Materialet som de först utvecklade är bara ett exempel på en mängd möjliga SAIL-föreningar. "Möjligheterna är nästan obegränsade, " säger Mao. Teamet kommer att fortsätta att arbeta med olika varianter och med att optimera sina parametrar för speciella användningsområden. "Det kan ta några månader eller år, " han säger, "men att arbeta med en ny klass av material är väldigt spännande att göra. Det finns många möjligheter till ytterligare optimering."

Forskargruppen inkluderade Paul Brown, Yinying Ren, Agilio Padua, och Margarida Costa Gomes vid MIT; Ctirad Cervinka på École Normale Supérieure de Lyon, i Frankrike; Gavin Hazell och Julian Eastoe vid University of Bristol, i UK.; Hua Li och Rob Atkin vid University of Western Australia; och Isabelle Grillo vid Institut Max-von-Laue-Paul-Langevin i Grenoble, Frankrike. Forskarna ägnar sitt arbete åt Grillos minne, som nyligen gick bort.

"Det är ett mycket spännande resultat att ytaktiva joniska vätskor (SAIL) med amfifila strukturer kan självmontera på elektrodytor och förbättra laddningslagringsprestanda på elektrifierade ytor, " säger Yi Cui, professor i materialvetenskap och teknik vid Stanford University, som inte var förknippad med denna forskning. "Författarna har studerat och förstått mekanismen. Arbetet här kan ha en stor inverkan på designen av superkondensatorer med hög energidensitet, och kan också hjälpa till att förbättra batteriprestanda, " han säger.

Nicholas Abbott, en universitetsprofessor i kemi vid Cornell University, som inte heller var involverad i detta arbete, säger "Papperet beskriver ett mycket smart framsteg inom lagring av gränssnittsladdning, elegant demonstrerar hur kunskap om molekylär självmontering vid gränssnitt kan utnyttjas för att ta itu med en samtida teknisk utmaning."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.