新型電解質(zhì)可以提高超級電容器的性能

超級電容器是儲存和釋放能量的電氣設(shè)備，需要一層電解質(zhì)——可以是固體、液體或介于兩者之間的導(dǎo)電材料?，F(xiàn)在，美國麻省理工學(xué)院和其他幾個機(jī)構(gòu)的研究人員開發(fā)了一種新型液體，這種液體在降低可燃性的同時，也為提高裝置性能和穩(wěn)定性提供了可能。研究人員表示：“他們的概念驗證工作代表了一種新的電化學(xué)儲能模式”。目前，該研究的相關(guān)論文已在《自然》雜志上發(fā)表。

該研究團(tuán)隊在離子液體中加入了一種類似于表面活性劑的化合物。該論文的主要作者毛先文博士表示，由于添加了這種材料，離子液體變得具有非常新奇的特性，變得非常黏稠，溫度越高儲能越多，遠(yuǎn)勝其他電解質(zhì)。在他們的研究中，盡管黏度遠(yuǎn)高于其他電解質(zhì)，但是隨著溫度的升高，存儲容量增加更快，最終導(dǎo)致材料總能量密度(給定體積儲存的電能)增加，超過了許多傳統(tǒng)電解質(zhì)，并且穩(wěn)定性和安全性更好。其高效能的關(guān)鍵是離子液體中分子自動排列的方式，最終在金屬電極表面形成層狀結(jié)構(gòu)。分子首尾相接，頭部朝向電極外，與電機(jī)保持一定距離，尾部在中間，形成一種三明治結(jié)構(gòu)。這種行為被描述為自組裝納米結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)電解質(zhì)存在巨大差異，是因為這種分子具有在超級電容器內(nèi)的電極上自組裝形成有序的層狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)在行為。這種高度有序的結(jié)構(gòu)有利于防止“過度占位”現(xiàn)象，這種現(xiàn)象會在其他離子液中第一層離子(帶電的原子或分子)上發(fā)生，它們聚集在電極表面，束縛了太多離子，相應(yīng)地在電極表面形成電荷，但導(dǎo)致離子分布不均，或者說形成聚集態(tài)的多層離子，因此儲能效率降低。而新型電解質(zhì)的情況與此不同，因為每一樣?xùn)|西都井井有條，電荷集中在表層。毛博士還表示，這種具有表面活性的離子液體(即被稱為SAILs的新材料)或許可用于高溫儲能，如高溫環(huán)境中的石油鉆探或化工廠，該類電解質(zhì)在高溫下非常安全，甚至性能更好，與此相反，鋰離子電池中使用的一些電解質(zhì)是相當(dāng)易燃的，這種材料有利于提高超級電容器的性能。這種裝置可以用來儲存電能，有時還用來作為電動汽車的備用電池系統(tǒng)，提供額外的動力。使用這種新材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的超級電容器中的電解質(zhì)，可以使其能量密度提高4或5倍。使用這種新的電解質(zhì)，未來的超級電容器甚至可以儲存比電池更多的能量，甚至有可能取代電池，用于電動汽車、個人電子產(chǎn)品或電網(wǎng)級儲能設(shè)施中。