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2019-08-16 15:03:58 来源: 中国科技网 作者: 马嘉悦 编译

 

离子液体中具有长尾(蓝色)的大阴离子可以使它们在电极表面上自组装成夹层状双层结构。具有这种结构的离子液体具有大大改善的储能能力。图片由毛贤文提供

麻省理工学院(MIT)官网称,MIT和其他几家机构的研究人员开发了一种新型液体电解质,或为提高超级电容器的效率和稳定性、同时降低其可燃性开辟了新的可能性。

超级电容器是一种介于传统电容器和充电电池之间的新型储能装置,它既具有电容器快速充放电的特性,同时又具有电池的储能特性。它需要一层电解质——一种可以固体、液体或介于固体、液体之间的导电材料。

几十年来,研究人员已经发现了一种被称为离子液体的物质,此物质本质上是液体盐。不同的是,MIT团队在这些液体中添加了一种类似表面活性剂的化合物,随着这种材料的加入,离子液体“具有非常新的、奇怪的性质”,包括变得非常粘稠。此发现发表在《自然材料》杂志,MIT博士后毛贤文博士是这篇论文的第一作者。

“很难想象这种粘性液体可以用来储存能量,”毛贤文说,“但我们发现,一旦我们提高温度,它可以储存更多的能量。它的总体能量密度超过了许多传统电解质,具有更高的稳定性和安全性。

据悉,有效性的关键在于液体中的分子自动排列,最终在金属电极表面形成分层结构。这些分子的一端有尾巴,头部朝向电极或远离电极,而尾巴都聚集在中间,形成一种三明治。这被称为自组装纳米结构。

这种高度有序的结构有助于防止一种叫作“过滤网”的现象,这种结构使电荷都集中在表层。

这种新型材料被研究人员称为帆,用于表面活性离子液体,可以在高温储能方面有多种应用例如在石油钻井或化工厂等高温环境中使用。“我们的电解质在高温下非常安全,甚至性能更好,”毛贤文说。相比之下,锂离子电池中的一些电解质是非常易燃的。

不仅如此,这种装置可以用来储存电能,有时还被用来补充电动汽车的电池系统,以提供额外的动力。在超级电容器中使用这种新材料可以将其能量密度提高四到五倍。

除此以外,这种材料还可以用于各种新兴的分离过程。例如在二氧化碳捕获、从废物流中回收资源等方面。

研究团队包括MIT的保罗·布朗、任银英、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院的Ctirad Cervinka,英国布里斯托尔大学的Gavin Hazell和Julian Eastoe,西澳大利亚大学的李华和阿特金,以及法国格勒诺布尔Max-von-Laue-Paul-Langevin研究所的Isabelle Grillo。

斯坦福大学材料科学与工程教授崔毅评价说:“具有两亲结构的表面活性离子液体(帆板)能够在电极表面自组装,提高带电表面的电荷存储性能,这是一个非常令人兴奋的结果。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

康奈尔大学蒂施大学教授尼古拉斯•阿博特(Nicholas Abbott)表示:“这篇论文描述了界面电荷存储方面一个非常聪明的进步,优雅地展示了如何利用界面上的分子自组装知识来应对当代的技术挑战。”

这项工作得到了麻省理工学院能源计划、麻省理工学院斯科尔技术奖学金和捷克科学基金会的支持。

责任编辑: 桂楷东