En kollaborativ undersökning har avslöjat ny insikt om hur joniska vätskor i rumstemperatur (RTIL) leder elektricitet, vilket kan ha en stor potentiell inverkan på energilagringens framtid.

Forskningen fokuserar på debatten kring den fysiska mekanismen för RTILs elektriska ledningsförmåga. Deras laddade positiva och negativa organiska joner leder till att de är bra ledare, men konduktiviteten verkar paradoxal. Deras höga ledningsförmåga beror på deras höga täthet av laddade joner i vätskan, men denna täthet borde också betyda att de positiva och negativa jonerna är tillräckligt nära för att neutralisera varandra, skapa nytt, neutrala partiklar som inte kan bära en elektrisk ström. Modelleringen försöker identifiera hur konduktiviteten upprätthålls i RTILs i ljuset av dessa motsägelsefulla faktorer.

Forskningen involverade en internationell grupp forskare, inklusive professor Nikolai Brilliantov från University of Leicester och ledd av professor Alexei Kornyshev från Imperial College London och professor Guang Feng från Huazhong University of Science and Technology.

Forskare utvecklade speciella numeriska metoder och teoretiska tillvägagångssätt för att spåra dynamiken hos partiklar i RTIL. De upptäckte att för det mesta, positiva och negativa joner finns tillsammans i neutrala par eller kluster, bildar ett neutralt ämne som inte kan leda elektricitet. Emellertid då och då positiva och negativa joner kommer ut parvis som laddade partiklar i olika delar av vätskan, gör vätskan ledande.

Uppkomsten av dessa joner orsakas av termiska fluktuationer. Plötsligt och slumpmässigt får jonerna en del energi från den omgivande vätskan, vilket hjälper dem att frigöra sig från det "parade" neutrala tillståndet och bli fria laddade partiklar. Detta tillstånd är bara tillfälligt, dock:efter en tid, de kommer att återgå till sitt parade neutrala tillstånd när de förenas med en annan jon med motsatt laddning.

När detta händer, ett annat joniskt par någon annanstans i vätskan delar sig i fria laddade partiklar, därigenom upprätthåller vätskans ledningsförmåga och dess elektriska ström i ett slags pågående "relälopp" av laddningar. Detta liknar beteendet som observeras i kristallina halvledare, där de positiva och negativa laddningsbärarna också kommer fram i par på grund av termiska fluktuationer. Det förväntas därför att ett rikt utbud av fysiska fenomen som observeras i halvledare också kan avslöjas i RTILs i framtiden.

Precis som dessa fenomen i halvledare utnyttjas för många tillämpningar, denna forskning visar att det också kan finnas potential för RTIL att utnyttjas på nya och innovativa sätt, med möjliga användningsområden från superkondensatorer, bränsleceller och batterier till olika kraftenheter.

Professor Brilliantov, ordförande i tillämpad matematik och University of Leicesters ledare för projektet, sade:"Förståelse för konduktivitetsmekanismen hos RTIL verkar öppna nya horisonter när det gäller att designa joniska vätskor med önskade elektriska egenskaper."