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新型“離子液體”電解質:可儲存更多能量 降低著火風險

2019-08-16 15:03:58 來源: 中國科技網 作者: 馬嘉悅 編譯

 

離子液體中具有長尾(藍色)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構。具有這種結構的離子液體具有大大改善的儲能能力。圖片由毛賢文提供

麻省理工學院(MIT)官網稱,MIT和其他幾家機構的研究人員開發了一種新型液體電解質,或為提高超級電容器的效率和穩定性、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——一種可以固體、液體或介于固體、液體之間的導電材料。

幾十年來,研究人員已經發現了一種被稱為離子液體的物質,此物質本質上是液體鹽。不同的是,MIT團隊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”,包括變得非常粘稠。此發現發表在《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,“但我們發現,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電解質,具有更高的穩定性和安全性。

據悉,有效性的關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構。這些分子的一端有尾巴,頭部朝向電極或遠離電極,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構。

這種高度有序的結構有助于防止一種叫作“過濾網”的現象,這種結構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用例如在石油鉆井或化工廠等高溫環境中使用。“我們的電解質在高溫下非常安全,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,有時還被用來補充電動汽車的電池系統,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。

研究團隊包括MIT的保羅·布朗、任銀英、阿吉里奧·帕多瓦和瑪格麗達·科斯塔·戈麥斯,法國里昂高等師范學院的Ctirad Cervinka,英國布里斯托爾大學的Gavin Hazell和Julian Eastoe,西澳大利亞大學的李華和阿特金,以及法國格勒諾布爾Max-von-Laue-Paul-Langevin研究所的Isabelle Grillo。

斯坦福大學材料科學與工程教授崔毅評價說:“具有兩親結構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果。可能會對高能量密度超級電容器的設計產生重大影響,也可能有助于提高電池性能

康奈爾大學蒂施大學教授尼古拉斯?阿博特(Nicholas Abbott)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步,優雅地展示了如何利用界面上的分子自組裝知識來應對當代的技術挑戰。”

這項工作得到了麻省理工學院能源計劃、麻省理工學院斯科爾技術獎學金和捷克科學基金會的支持。

責任編輯: 桂楷東
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