Un Nuevo Tipo De Electrolito Podría Mejorar El Rendimiento Del Supercondensador

Aniones grandes con colas largas

Los aniones grandes con colas largas (azules) en líquidos iónicos pueden hacer que se autoensamblen en estructuras bicapa similares a sándwich en las superficies de los electrodos. Los líquidos iónicos con tales estructuras tienen capacidades de almacenamiento de energía mucho mejores. Imagen: Xianwen Mao, MIT

Una nueva clase de “líquidos iónicos” puede almacenar más energía que los electrolitos convencionales, con menos riesgo de incendiarse.

Los supercondensadores, dispositivos eléctricos que almacenan y liberan energía, necesitan una capa de electrolito, un material conductor de electricidad que puede ser sólido, líquido o en algún punto intermedio. Ahora, los investigadores de MIT y varias otras instituciones han desarrollado una clase novedosa de líquidos que puede abrir nuevas posibilidades para mejorar la eficiencia y estabilidad de tales dispositivos al tiempo que reduce su inflamabilidad.

“Este trabajo de prueba de concepto representa un nuevo paradigma para el almacenamiento de energía electroquímica”, dicen los investigadores en su artículo que describe el hallazgo, que aparece hoy en la revista Nature Materials .

Durante décadas, los investigadores han estado al tanto de una clase de materiales conocidos como líquidos iónicos, esencialmente sales líquidas, pero este equipo ahora ha agregado a estos líquidos un compuesto similar a un surfactante, como los que se usan para dispersar derrames de petróleo. Con la adición de este material, los líquidos iónicos “tienen propiedades muy nuevas y extrañas”, que incluyen volverse altamente viscosos, dice el postdoctorado del MIT Xianwen Mao PhD ’14, autor principal del artículo.

“Es difícil imaginar que este líquido viscoso pueda usarse para el almacenamiento de energía”, dice Mao, “pero lo que encontramos es que una vez que aumentamos la temperatura, puede almacenar más energía y más que muchos otros electrolitos”.

Eso no es del todo sorprendente, dice, ya que con otros líquidos iónicos, a medida que aumenta la temperatura, “la viscosidad disminuye y la capacidad de almacenamiento de energía aumenta”. Pero en este caso, aunque la viscosidad permanece más alta que la de otros electrolitos conocidos, la capacidad aumenta muy rápidamente al aumentar la temperatura. Eso termina dando al material una densidad de energía general, una medida de su capacidad para almacenar electricidad en un volumen dado, que supera las de muchos electrolitos convencionales, y con mayor estabilidad y seguridad.

La clave de su efectividad es la forma en que las moléculas dentro del líquido se alinean automáticamente, terminando en una configuración de capas en la superficie del electrodo metálico. Las moléculas, que tienen una especie de cola en un extremo, se alinean con las cabezas hacia afuera, hacia el electrodo o en dirección opuesta a él, y las colas se agrupan en el medio, formando una especie de sándwich. Esto se describe como una nanoestructura autoensamblada.

“La razón por la que se comporta de manera tan diferente” a los electrolitos convencionales se debe a la forma en que las moléculas se ensamblan intrínsecamente en una estructura ordenada y en capas donde entran en contacto con otro material, como el electrodo dentro de un supercondensador, dice T. Alan Hatton , profesor de ingeniería química en el MIT y autor principal del artículo. “Forma una estructura de doble capa muy interesante, similar a un sándwich”.

Esta estructura altamente ordenada ayuda a prevenir un fenómeno llamado “sobrepantallamiento” que puede ocurrir con otros líquidos iónicos, en los que la primera capa de iones (átomos o moléculas cargados eléctricamente) que se acumulan en la superficie de un electrodo contiene más iones que las cargas correspondientes. la superficie. Esto puede provocar una distribución de iones más dispersa, o una multicapa de iones más gruesa y, por tanto, una pérdida de eficiencia en el almacenamiento de energía; “Mientras que en nuestro caso, debido a la forma en que todo está estructurado, las cargas se concentran dentro de la capa superficial”, dice Hatton.

La nueva clase de materiales, que los investigadores llaman SAIL, para líquidos iónicos tensioactivos, podría tener una variedad de aplicaciones para el almacenamiento de energía a alta temperatura, por ejemplo, para su uso en entornos cálidos como en la perforación de petróleo o en plantas químicas, según a Mao. “Nuestro electrolito es muy seguro a altas temperaturas e incluso funciona mejor”, dice. Por el contrario, algunos electrolitos utilizados en las baterías de iones de litio son bastante inflamables.

El material podría ayudar a mejorar el rendimiento de los supercondensadores, dice Mao. Dichos dispositivos se pueden usar para almacenar carga eléctrica y, a veces, se usan para complementar los sistemas de baterías en vehículos eléctricos para proporcionar un impulso adicional de energía. El uso del nuevo material en lugar de un electrolito convencional en un supercondensador podría aumentar su densidad de energía en un factor de cuatro o cinco, dice Mao. Usando el nuevo electrolito, los futuros supercondensadores pueden incluso almacenar más energía que las baterías, dice, y potencialmente incluso reemplazar las baterías en aplicaciones como vehículos eléctricos, dispositivos electrónicos personales o instalaciones de almacenamiento de energía a nivel de la red.

El material también podría ser útil para una variedad de procesos de separación emergentes, dice Mao. “Muchos de los procesos de separación desarrollados recientemente requieren control eléctrico”, en diversas aplicaciones de procesamiento químico y refinación y en la captura de dióxido de carbono, por ejemplo, así como en la recuperación de recursos de las corrientes de desechos. Estos líquidos iónicos, al ser altamente conductores, podrían ser adecuados para muchas de estas aplicaciones, dice.

El material que desarrollaron inicialmente es solo un ejemplo de una variedad de posibles compuestos SAIL. “Las posibilidades son casi ilimitadas”, dice Mao. El equipo seguirá trabajando en diferentes variaciones y en la optimización de sus parámetros para usos particulares. “Puede llevar algunos meses o años”, dice, “pero trabajar en una nueva clase de materiales es muy emocionante. Hay muchas posibilidades para una mayor optimización “.

El equipo de investigación incluyó a Paul Brown, Yinying Ren, Agilio Padua y Margarida Costa Gomes en MIT; Ctirad Cervinka en École Normale Supérieure de Lyon, en Francia; Gavin Hazell y Julian Eastoe en el Universidad de bristol , en el Reino Unido; Hua Li y Rob Atkin de la Universidad de Australia Occidental; e Isabelle Grillo en el Institut Max-von-Laue-Paul-Langevin en Grenoble, Francia. Los investigadores dedican su artículo a la memoria de Grillo, fallecido recientemente.

“Es un resultado muy emocionante que los líquidos iónicos tensioactivos (SAIL) con estructuras anfifílicas puedan autoensamblarse en las superficies de los electrodos y mejorar el rendimiento del almacenamiento de carga en las superficies electrificadas”, dice Yi Cui, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Stanford. , quien no estuvo asociado con esta investigación. “Los autores han estudiado y comprendido el mecanismo. El trabajo aquí podría tener un gran impacto en el diseño de supercondensadores de alta densidad de energía y también podría ayudar a mejorar el rendimiento de la batería ”, dice.

Nicholas Abbott, profesor de la Universidad de Tisch en la Universidad de Cornell, quien tampoco participó en este trabajo, dice: “El artículo describe un avance muy inteligente en el almacenamiento de cargas interfaciales, demostrando elegantemente cómo el conocimiento del autoensamblaje molecular en las interfaces puede aprovecharse para abordar un desafío tecnológico contemporáneo “.

El trabajo fue apoyado por la MIT Energy Initiative, una beca MIT Skoltech y la Czech Science Foundation.

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