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新型电解质可以提高超级电容器性能

新型的“离子液体”可能比传统的电解质储存更多的能量,而且着火的风险更小。

David L. Chandler. · 2019年11月22日 · 麻省理工学院新闻

超级电容器是一种储存和释放能量的电子设备,它需要一层电解质——一种导电材料,可以是固体、液体或介于两者之间。现在,麻省理工学院(MIT)和其他一些机构的研究人员开发了一种新型液体,这可能为提高此类装置的效率和稳定性,同时降低其可燃性开辟了新的可能性。

“这项概念验证工作代表了电化学能量存储的新范式,”研究人员说他们的论文描述了这一发现,发表在杂志上自然材料2019年8月12日。

几十年来,研究人员一直在研究一类被称为离子液体的物质——本质上是液体盐——但这个团队现在已经在这些液体中添加了一种类似表面活性剂的化合物,就像那些用于分散漏油的表面活性剂一样。随着这种材料的加入,离子液体“有了非常新的和奇怪的特性,”包括变得高度粘稠,麻省理工学院博士后毛贤文博士说,他是这篇论文的第一作者。

“很难想象这种粘性液体可用于储能,”毛泽东说,“但我们发现的是,一旦我们提高了温度,它就可以储存更多的能量,而且更多的其他电解质。”

他说,这并不令人惊讶,因为随着其他离子液体,随着温度的增加,“粘度降低并且能量储存能力增加。”但在这种情况下,尽管粘度保持高于其他已知电解质的粘度,但随着温度的增加,该容量的容量非常迅速增加。最终赋予材料的总能量密度 - 衡量其在给定体积中的电力储存电力的能力 - 超过许多传统电解质的能力,以及更大的稳定性和安全性。

其有效的关键是液体中的分子自动排列,最终在金属电极表面形成层状结构。这些分子的一端有一个尾巴,它们的头向外朝向电极或远离电极,所有的尾巴都聚集在中间,形成一种三明治(见上图)。这被描述为一种自组装纳米结构。

“从传统电解质中表现得如此不同的原因”是因为分子本质上组装成有序的层状结构的方式,在那里它们与另一材料接触,例如超级电容器内的电极。t·艾伦·哈顿是麻省理工学院和纸质高级作者的化学工程教授。“它形成了一个非常有趣的三明治样,双层结构。”

这种高度有序的结构有助于防止称为可能与其他离子液体发生的“过度筛选”的现象,其中收集在电极表面上的第一层(带电原子或分子)含有比相应的电荷更多的离子含有更多的离子表面。这可能导致离子或较厚的离子多层分布更散布,因此储能效率损失,“与我们的情况一样,由于一切构造的方式,电荷集中在表面层内,”哈顿说。

研究人员称为表面活性离子液体的新型材料可以具有用于高温储能的各种应用,例如用于诸如石油钻井或化工厂的热环境中,到毛。“我们的电解质在高温下非常安全,甚至表现得更好,”他说。相反,在锂离子电池中使用的一些电解质是非常易燃的。

毛说,这种材料可以帮助提高超级电容器的性能。这种装置可以用来储存电荷,有时也用来补充电动汽车的电池系统,以提供额外的动力。Mao说,在超级电容器中使用这种新材料代替传统的电解液可以将其能量密度提高四到五倍。他说,使用这种新型电解液,未来的超级电容器甚至可以比电池存储更多的能量,甚至有可能在电动汽车、个人电子产品或电网级储能设施等应用中取代电池。

Mao说,该材料也可用于各种新出现的分离过程。“许多新开发的分离过程需要电控,”在各种化学加工和精炼应用中,例如,在二氧化碳中,以及来自废物流的资源回收。他说,这些离子液体具有高导电性,可能是许多这样的应用。

它们最初开发的材料只是各种可能的帆板的一个例子。“这些可能性几乎是无限的,”毛泽东说。该团队将继续在不同的变体上工作,并优化其特定用途的参数。“可能需要几个月或几年,”他说,“但是在一类新的材料上工作是非常令人兴奋的。进一步优化有很多可能性。“

研究团队包括麻省理工学院的Paul Brown、Yinying Ren、Agilio Padua和Margarida Costa Gomes;Ctirad Cervinka, École Normale Supérieure de Lyon,法国;英国布里斯托大学的Gavin Hazell和Julian Eastoe;西澳大学的Hua Li和Rob Atkin;以及法国格勒诺布尔的马克斯-冯-劳-保罗-朗之万研究所的伊莎贝尔·格里洛。研究人员将他们的论文献给最近去世的格里洛。

“这是一种非常激动的结果,即具有两亲结构的表面活性离子液体(帆)可以在电极表面上自组装,并在电气化表面上提高电荷存储性能,”斯坦福大学材料科学与工程教授yi Cui说,谁没有与这项研究有关。“作者已经研究过这个机制。他说,这里的工作可能对高能量密度超级电容器的设计产生很大影响,并且还可以帮助提高电池性能。“

康奈尔大学Tisch大学教授Nicholas Abbott也没有参与这项工作,他说:“这篇论文描述了界面电荷存储的一个非常聪明的进展,优雅地展示了如何利用分子在界面上的自组装知识来解决当代的技术挑战。”


这项工作得到了麻省理工学院能源倡议、麻省理工学院Skolte156manbetx.comch奖学金和捷克科学基金会的支持。欲知更多资料,请浏览:

X. Mao,P. Brown,C.Cervinka,G. Havell,H.Li,T. Ren,D。陈,R.Atkin,J. Eastoe,I. Grillo,A.a.h。Padua,M. F. Costa Gomes,Andt.a.哈顿。“离子液体中的自组装纳米结构促进了电气化接口的电荷储存。”自然材料2019年8月12日。在线:doi.org/10.1038/s41563-019-0449-6


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记者调查:miteimedia@mit.edu