新型电解质可以提高超级电容器的性能

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——一种可以是固体、液体或介于固体、液体之间的导电材料。现在，麻省理工学院(MIT)和其他几家机构的研究人员开发了一种新型液体，这可能为提高此类设备的效率和稳定性、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储能的一种新范式，”研究人员在描述这一发现的论文中说。

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——本质上是液体盐——但是这个团队现在在这些液体中添加了一种类似表面活性剂的化合物，就像那些用来分散石油泄漏的物质。随着这种材料的加入，离子液体“具有非常新的和奇怪的性质”，包括变得非常粘稠，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以用来储存能量，”毛说，“但我们发现，一旦我们提高温度，它可以储存更多的能量，比许多其他电解质都多。”

这并不完全令人惊讶，他说，因为对于其他离子液体，随着温度的升高，“粘度降低，能量储存能力增加。”“但在这种情况下，虽然粘度仍然高于其他已知电解质，但容量随着温度的升高而迅速增加。最终，这种材料的总体能量密度——在一定体积内储存电能的能力的一种衡量标准——超过了许多传统电解质，具有更高的稳定性和安全性。

其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。

“为什么表现得如此不同”从传统电解质本质上是由于分子聚集成一个有序,分层结构,他们接触到另一个材料,如在超级电容器电极,t·艾伦·哈顿说麻省理工学院化学工程教授,论文的资深作者。“它形成了一种非常有趣的三明治状双层结构。”

这种高度有序的结构有助于防止一种叫做“过滤网”的现象，这种现象可能发生在其他离子液体中，在这种液体中，聚集在电极表面的第一层离子(带电原子或分子)所含的离子比表面相应电荷所含的离子要多。这可能导致离子分布更分散，或离子多层更厚，从而导致能量存储效率的损失;“而在我们的案例中，由于所有物质的结构，电荷都集中在表层，”哈顿说。

毛教授说，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，”他说。相比之下，锂离子电池中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。毛说，在超级电容器中使用这种新材料而不是传统的电解质可以将其能量密度提高四到五倍。他说，使用这种新型电解质，未来的超级电容器甚至可能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。

毛说，这种材料还可以用于各种新兴的分离过程。“许多新开发的分离过程需要电气控制，”在各种化学加工和精炼应用中，例如在二氧化碳捕获以及从废物流中回收资源方面。他说，这些具有高导电性的离子液体可能非常适合于许多这类应用。

他们最初开发的材料只是各种可能的帆化合物的一个例子。“可能性几乎是无限的，”毛说。该小组将继续研究不同的变化，并为特定用途优化其参数。“这可能需要几个月或几年的时间，”他说，“但研究一种新型材料是非常令人兴奋的。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。研究人员将他们的论文献给最近去世的格里洛。

斯坦福大学(Stanford University)材料科学与工程教授崔毅(Yi Cui)表示:“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。”崔毅没有参与这项研究。研究人员已经研究并理解了这种机制。这里的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，”他说。

康奈尔大学(Cornell University)的化学教授尼古拉斯•阿博特(Nicholas Abbott)也没有参与这项研究，他表示:“这篇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。