Supercondensatori, dispositivi elettrici che immagazzinano e rilasciano energia, bisogno di uno strato di elettrolita, un materiale elettricamente conduttivo che può essere solido, liquido, o da qualche parte nel mezzo. Ora, i ricercatori del MIT e di diverse altre istituzioni hanno sviluppato una nuova classe di liquidi che potrebbe aprire nuove possibilità per migliorare l'efficienza e la stabilità di tali dispositivi riducendo la loro infiammabilità.

"Questo lavoro di prova rappresenta un nuovo paradigma per lo stoccaggio di energia elettrochimica, " dicono i ricercatori nel loro articolo che descrive la scoperta, che appare oggi sul giornale Materiali della natura .

Per decenni, i ricercatori sono stati a conoscenza di una classe di materiali noti come liquidi ionici, essenzialmente, sali liquidi, ma questa squadra ha ora aggiunto a questi liquidi un composto simile a un tensioattivo, come quelli usati per disperdere le fuoriuscite di petrolio. Con l'aggiunta di questo materiale, i liquidi ionici "hanno proprietà molto nuove e strane, " incluso diventare altamente viscoso, afferma il postdoc del MIT Xianwen Mao Ph.D. '14, l'autore principale dell'articolo.

"È difficile immaginare che questo liquido viscoso possa essere utilizzato per lo stoccaggio di energia, "Mao dice, "ma quello che troviamo è che una volta alzata la temperatura, può immagazzinare più energia, e più di molti altri elettroliti."

Non è del tutto sorprendente, lui dice, poiché con altri liquidi ionici, all'aumentare della temperatura, "la viscosità diminuisce e la capacità di accumulo di energia aumenta." Ma in questo caso, sebbene la viscosità rimanga superiore a quella di altri elettroliti noti, la capacità aumenta molto rapidamente con l'aumentare della temperatura. Ciò finisce per dare al materiale una densità energetica complessiva, una misura della sua capacità di immagazzinare elettricità in un dato volume, che supera quella di molti elettroliti convenzionali, e con maggiore stabilità e sicurezza.

La chiave della sua efficacia è il modo in cui le molecole all'interno del liquido si allineano automaticamente, finendo in una configurazione a strati sulla superficie dell'elettrodo metallico. Le molecole, che hanno una specie di coda a un'estremità, allineare con le teste rivolte verso l'esterno verso l'elettrodo o lontano da esso, e le code tutte raggruppate nel mezzo, formando una specie di panino. Questo è descritto come una nanostruttura autoassemblata.

"Il motivo per cui si comporta in modo così diverso" dagli elettroliti convenzionali è dovuto al modo in cui le molecole si assemblano intrinsecamente in un ordine, struttura a strati dove entrano in contatto con un altro materiale, come l'elettrodo all'interno di un supercondensatore, dice T. Alan Hatton, professore di ingegneria chimica al MIT e autore senior dell'articolo. "Forma un molto interessante, simile a un panino, struttura a doppio strato."

Questa struttura altamente ordinata aiuta a prevenire un fenomeno chiamato "overscreening" che può verificarsi con altri liquidi ionici, in cui il primo strato di ioni (atomi o molecole caricati elettricamente) che si raccolgono su una superficie di un elettrodo contiene più ioni di quante siano le cariche corrispondenti sulla superficie. Ciò può causare una distribuzione più dispersa di ioni, o un multistrato di ioni più spesso, e quindi una perdita di efficienza nello stoccaggio dell'energia; "mentre nel nostro caso, per come è strutturato tutto, le cariche sono concentrate all'interno dello strato superficiale, "dice Hatton.

La nuova classe di materiali, che i ricercatori chiamano SAIL, per liquidi ionici tensioattivi, potrebbe avere una varietà di applicazioni per lo stoccaggio di energia ad alta temperatura, ad esempio per l'uso in ambienti caldi come nelle trivellazioni petrolifere o negli impianti chimici, secondo Mao. "Il nostro elettrolita è molto sicuro alle alte temperature, e funziona anche meglio, " dice. Al contrario, alcuni elettroliti utilizzati nelle batterie agli ioni di litio sono abbastanza infiammabili.

Il materiale potrebbe aiutare a migliorare le prestazioni dei supercondensatori, dice Mao. Tali dispositivi possono essere utilizzati per immagazzinare la carica elettrica e talvolta vengono utilizzati per integrare i sistemi di batterie nei veicoli elettrici per fornire un ulteriore aumento di potenza. L'uso del nuovo materiale al posto di un elettrolita convenzionale in un supercondensatore potrebbe aumentare la sua densità di energia di un fattore quattro o cinque, dice Mao. Utilizzando il nuovo elettrolita, i futuri supercondensatori potrebbero persino essere in grado di immagazzinare più energia delle batterie, lui dice, potenzialmente anche la sostituzione delle batterie in applicazioni come i veicoli elettrici, elettronica personale, o impianti di stoccaggio dell'energia a livello di rete.

Il materiale potrebbe anche essere utile per una varietà di processi di separazione emergenti, dice Mao. "Molti processi di separazione di nuova concezione richiedono il controllo elettrico, " in vari processi chimici e applicazioni di raffinazione e nella cattura di anidride carbonica, Per esempio, così come il recupero delle risorse dai flussi di rifiuti. Questi liquidi ionici, essendo altamente conduttivo, potrebbe essere adatto a molte di queste applicazioni, lui dice.

Il materiale che hanno inizialmente sviluppato è solo un esempio di una varietà di possibili mescole SAIL. "Le possibilità sono quasi illimitate, " dice Mao. Il team continuerà a lavorare su diverse varianti e sull'ottimizzazione dei suoi parametri per usi particolari. "Potrebbero volerci alcuni mesi o anni, " lui dice, "ma lavorare su una nuova classe di materiali è molto entusiasmante da fare. Ci sono molte possibilità per un'ulteriore ottimizzazione."

Il gruppo di ricerca comprendeva Paul Brown, Yinying Ren, Agilio Padova, e Margarida Costa Gomes al MIT; Ctirad Cervinka all'École Normale Supérieure de Lyon, in Francia; Gavin Hazell e Julian Eastoe all'Università di Bristol, nel Regno Unito.; Hua Li e Rob Atkin alla University of Western Australia; e Isabelle Grillo all'Institut Max-von-Laue-Paul-Langevin di Grenoble, Francia. I ricercatori dedicano il loro paper alla memoria di Grillo, che è recentemente scomparso.

"È un risultato molto eccitante che i liquidi ionici tensioattivi (SAIL) con strutture anfifiliche possano autoassemblarsi sulle superfici degli elettrodi e migliorare le prestazioni di accumulo di carica su superfici elettrificate, "dice Yi Cui, professore di scienza e ingegneria dei materiali alla Stanford University, che non era associato a questa ricerca. "Gli autori hanno studiato e compreso il meccanismo. Il lavoro qui potrebbe avere un grande impatto sulla progettazione di supercondensatori ad alta densità di energia, e potrebbe anche aiutare a migliorare le prestazioni della batteria, " lui dice.

Nicholas Abbott, un professore universitario di chimica alla Cornell University, anche lui non era coinvolto in questo lavoro, afferma "Il documento descrive un progresso molto intelligente nell'archiviazione della carica interfacciale, dimostrando elegantemente come la conoscenza dell'autoassemblaggio molecolare nelle interfacce possa essere sfruttata per affrontare una sfida tecnologica contemporanea".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.