新型电解质可增强超级电容器性能

离子液体中带有长尾巴的大型阴离子（蓝色）可使它们自组装成电极表面上的三明治状双层结构。具有这种结构的离子液体具有大大改善的能量存储能力。图像：麻省理工学院的毛先文

新型“离子液体”可以比传统的电解质存储更多的能量-着火的风险较小。

超级电容器是存储和释放能量的电子设备，需要一层电解质-一种可以是固态，液态或介于两者之间的导电材料。现在，麻省理工学院和其他一些机构的研究人员已经开发出了一类新颖的液体，这可能为提高此类设备的效率和稳定性同时降低其易燃性开辟新的可能性。

研究人员在描述这一发现的论文中说：“这项概念验证工作代表了一种电化学能量存储的新范例。”该论文今天发表在《自然材料》杂志上。

几十年来，研究人员一直知道一类称为离子液体的材料-本质上是液体盐-但该团队现已向这些液体中添加了一种类似于表面活性剂的化合物，例如用于分散溢油的物质。麻省理工学院的博士后Xianwen Mao博士14表示，添加这种材料后，离子液体“具有非常新颖而奇怪的特性，包括变得非常粘稠”。

毛说：“很难想象这种粘稠的液体可以用于储能，但是我们发现，一旦温度升高，它就可以储存更多的能量，并且比许多其他电解质要多。”

他说，这并不完全令人惊讶，因为对于其他离子液体，随着温度的升高，“粘度降低，储能能力提高。”但是在这种情况下，尽管粘度保持高于其他已知电解质的粘度，但是容量随温度升高而迅速增加。最终使材料的整体能量密度（衡量其在给定体积中的蓄电能力的量）超过了许多传统电解质，并且具有更高的稳定性和安全性。

其有效性的关键是液体中的分子自动排成一行的方式，最终以层状配置出现在金属电极表面上。分子的一端具有一种尾巴，这些分子的头与电极朝外或背向电极排列，尾巴全部聚集在中间，形成一种三明治。这被描述为自组装的纳米结构。

T. Alan Hatton说：“其表现方式与常规电解质之所以如此不同，是因为分子固有地将自身组装成有序的分层结构，使它们与另一种材料（例如，超级电容器内部的电极）接触。是麻省理工学院化学工程学教授，也是该论文的资深作者。“它形成了一个非常有趣的，类似三明治的双层结构。”

这种高度有序的结构有助于防止称为“过筛”的现象，这种现象可能在其他离子液体中发生，其中聚集在电极表面的第一层离子（带电原子或分子）所含离子的数量超过了其上相应电荷的数量。表面。这可能会导致离子分布更加分散，或者离子层更厚，从而导致能量存储效率下降； “就我们的情况而言，由于一切结构的方式，电荷都集中在表层内，”哈顿说。

据研究人员称，用于表面活性离子液体的新型材料可能会在高温储能方面有多种应用，例如在高温环境中使用，例如在石油钻探或化工厂中。给毛。他说：“我们的电解质在高温下非常安全，甚至表现更好。”相反，用于锂离子电池的某些电解质非常易燃。

毛说，这种材料可以帮助改善超级电容器的性能。此类设备可用于存储电荷，有时可用于补充电动汽车中的电池系统以提供额外的动力。毛泽东说，在超级电容器中使用这种新材料代替传统的电解质可以将其能量密度提高四到五倍。他说，使用新的电解质，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替换电池。

毛说，这种材料还可以用于各种新兴的分离过程。例如，在各种化学处理和精炼应用以及二氧化碳捕集以及从废物流中回收资源时，“许多新开发的分离工艺都需要电气控制”。他说，这些离子液体具有高导电性，可能非常适合许多此类应用。

他们最初开发的材料只是各种可能的SAIL化合物的示例。毛说：“可能性几乎是无限的。”该团队将继续致力于各种变化并针对特定用途优化其参数。他说：“这可能需要几个月或几年的时间，但是从事新型材料的研究非常令人兴奋。有许多进一步优化的可能性。”

研究团队包括麻省理工学院的保罗·布朗，任英英，阿吉里奥·帕多瓦和玛格丽达·科斯塔·戈麦斯。法国里昂高等师范学校的Ctirad Cervinka；英国布里斯托大学的Gavin Hazell和Julian Eastoe；西澳大利亚大学的华莉和罗布·阿特金（Rob Atkin）；和Isabelle Grillo在法国格勒诺布尔的Max-von-Laue-Paul-Langevin研究所工作。研究人员将他们的论文献给了格里洛（Grillo），他最近去世了。

斯坦福大学材料科学与工程学教授易翠说：“具有两亲性结构的表面活性离子液体（SAIL）可以在电极表面上自组装并增强带电表面上的电荷存储性能，这是一个令人激动的结果。”与这项研究无关。“作者已经研究并了解了这种机制。他说：“这项工作可能会对高能量密度超级电容器的设计产生重大影响，也可能有助于提高电池性能。”

康奈尔大学Tisch大学教授尼古拉斯·阿伯特（Nicholas Abbott）也没有参与这项工作，他说：“该论文描述了界面电荷存储方面的一个非常聪明的进展，优雅地展示了如何利用界面分子自组装的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计划，麻省理工学院Skoltech奖学金和捷克科学基金会的支持。