新型電解質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備，需要一層電解質——可以是固體、液體或介于兩者之間的導電材料。現在，美國麻省理工學院和其他幾個機構的研究人員開發了一種新型液體，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儲能模式”。目前，該研究的相關論文已在《自然》雜志上發表。

該研究團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，遠勝其他電解質。在他們的研究中，盡管黏度遠高于其他電解質，但是隨著溫度的升高，存儲容量增加更快，最終導致材料總能量密度(給定體積儲存的電能)增加，超過了許多傳統電解質，并且穩定性和安全性更好。其高效能的關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構。分子首尾相接，頭部朝向電極外，與電機保持一定距離，尾部在中間，形成一種三明治結構。這種行為被描述為自組裝納米結構，與傳統電解質存在巨大差異，是因為這種分子具有在超級電容器內的電極上自組裝形成有序的層狀結構的內在行為。這種高度有序的結構有利于防止“過度占位”現象，這種現象會在其他離子液中第一層離子(帶電的原子或分子)上發生，它們聚集在電極表面，束縛了太多離子，相應地在電極表面形成電荷，但導致離子分布不均，或者說形成聚集態的多層離子，因此儲能效率降低。而新型電解質的情況與此不同，因為每一樣東西都井井有條，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，如高溫環境中的石油鉆探或化工廠，該類電解質在高溫下非常安全，甚至性能更好，與此相反，鋰離子電池中使用的一些電解質是相當易燃的，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，提供額外的動力。使用這種新材料代替傳統的超級電容器中的電解質，可以使其能量密度提高4或5倍。使用這種新的電解質，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、個人電子產品或電網級儲能設施中。