新型“離子液體”電解質(zhì)：可儲存更多能量 降低著火風(fēng)險
離子液體中具有長尾(藍(lán)色)的大陰離子可以使它們在電極表面上自組裝成夾層狀雙層結(jié)構(gòu)。具有這種結(jié)構(gòu)的離子液體具有大大改善的儲能能力。圖片由毛賢文提供
據(jù)麻省理工學(xué)院(MIT)官網(wǎng)稱，MIT和其他幾家機(jī)構(gòu)的研究人員開發(fā)了一種新型液體電解質(zhì)，或?yàn)樘岣叱夒娙萜鞯男屎头€(wěn)定性、同時降低其可燃性開辟了新的可能性。
超級電容器是一種介于傳統(tǒng)電容器和充電電池之間的新型儲能裝置，它既具有電容器快速充放電的特性，同時又具有電池的儲能特性。它需要一層電解質(zhì)——一種可以是固體、液體或介于固體、液體之間的導(dǎo)電材料。
幾十年來，研究人員已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種被稱為離子液體的物質(zhì)，此物質(zhì)本質(zhì)上是液體鹽。不同的是，MIT團(tuán)隊(duì)在這些液體中添加了一種類似表面活性劑的化合物，隨著這種材料的加入，離子液體“具有非常新的、奇怪的性質(zhì)”，包括變得非常粘稠。此發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《自然材料》雜志，MIT博士后毛賢文博士是這篇論文的第一作者。
“很難想象這種粘性液體可以用來儲存能量，”毛賢文說，“但我們發(fā)現(xiàn)，一旦我們提高溫度，它可以儲存更多的能量。它的總體能量密度超過了許多傳統(tǒng)電解質(zhì)，具有更高的穩(wěn)定性和安全性。”
據(jù)悉，有效性的關(guān)鍵在于液體中的分子自動排列，最終在金屬電極表面形成分層結(jié)構(gòu)。這些分子的一端有尾巴，頭部朝向電極或遠(yuǎn)離電極，而尾巴都聚集在中間，形成一種三明治。這被稱為自組裝納米結(jié)構(gòu)。
這種高度有序的結(jié)構(gòu)有助于防止一種叫作“過濾網(wǎng)”的現(xiàn)象，這種結(jié)構(gòu)使電荷都集中在表層。
這種新型材料被研究人員稱為帆，用于表面活性離子液體，可以在高溫儲能方面有多種應(yīng)用，例如在石油鉆井或化工廠等高溫環(huán)境中使用。“我們的電解質(zhì)在高溫下非常安全，甚至性能更好，”毛賢文說。相比之下，鋰離子電池中的一些電解質(zhì)是非常易燃的。
不僅如此，這種裝置可以用來儲存電能，有時還被用來補(bǔ)充電動汽車的電池系統(tǒng)，以提供額外的動力。在超級電容器中使用這種新材料可以將其能量密度提高四到五倍。
除此以外，這種材料還可以用于各種新興的分離過程。例如在二氧化碳捕獲、從廢物流中回收資源等方面。
研究團(tuán)隊(duì)包括MIT的保羅·布朗、任銀英、阿吉里奧·帕多瓦和瑪格麗達(dá)·科斯塔·戈麥斯，法國里昂高等師范學(xué)院的Ctirad Cervinka，英國布里斯托爾大學(xué)的Gavin Hazell和Julian Eastoe，西澳大利亞大學(xué)的李華和阿特金，以及法國格勒諾布爾Max-von-Laue-Paul-Langevin研究所的Isabelle Grillo。
斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程教授崔毅評價說:“具有兩親結(jié)構(gòu)的表面活性離子液體(帆板)能夠在電極表面自組裝，提高帶電表面的電荷存儲性能，這是一個非常令人興奮的結(jié)果。它可能會對高能量密度超級電容器的設(shè)計產(chǎn)生重大影響，也可能有助于提高電池性能。”
康奈爾大學(xué)蒂施大學(xué)教授尼古拉斯?阿博特(Nicholas Abbott)也表示:“這篇論文描述了界面電荷存儲方面一個非常聰明的進(jìn)步，優(yōu)雅地展示了如何利用界面上的分子自組裝知識來應(yīng)對當(dāng)代的技術(shù)挑戰(zhàn)。”
這項(xiàng)工作得到了麻省理工學(xué)院能源計劃、麻省理工學(xué)院斯科爾技術(shù)獎學(xué)金和捷克科學(xué)基金會的支持。
