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电容器是一种储存和释放能量的电子设备，需要一层电解质——一种可以是固体、液体或介于两者之间的导电材料。现在，麻省理工学院和其他几家机构的研究人员开发出一类新型液体，可能为提高此类设备的效率和稳定性同时降低其易燃性开辟新的可能性。
“这项概念验证工作代表了电化学储能的新范式，”研究人员在描述这一发现的论文中说，该论文今天发表在《自然材料》杂志上。
几十年来，研究人员已经注意到一类被称为离子液体的材料——本质上是液体盐——但该团队现在已经向这些液体中添加了一种类似于表面活性剂的化合物，例如用于分散漏油的化合物。该论文的第一作者、麻省理工学院博士后 Xianwen Mao PhD '14 说，随着这种材料的添加，离子液体“具有非常新奇的特性”，包括变得非常粘稠。
“很难想象这种粘性液体可以用于储能，“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要多。”
他说，这并不完全令人惊讶，因为对于其他离子液体，随着温度升高，“粘度会降低，储能能力会增加。” 但在这种情况下，尽管粘度保持高于其他已知电解质的粘度，但容量会随着温度的升高而迅速增加。这最终使材料的总能量密度——衡量其在给定体积中储存电能的能力——超过了许多传统电解质，并且具有更好的稳定性和安全性。
其有效性的关键是液体中的分子自动排列的方式，最终在金属电极表面形成分层结构。一端有一种尾巴的分子排成一列，头部向外朝向电极或远离电极，尾巴全部聚集在中间，形成一种三明治。这被描述为自组装纳米结构。
T. Alan Hatton 说，“它与传统电解质表现如此不同的原因”是因为分子本质上将自身组装成有序的分层结构，在那里它们与另一种材料接触，例如电容器内的电极，麻省理工学院化学工程教授，该论文的资深作者。“它形成了一个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其他离子液体可能发生的称为“过度筛选”的现象，其中收集在电极表面上的第一层离子（带电原子或分子）包含的离子多于相应的电荷表面。这会导致离子分布更分散，或离子多层更厚，从而降低能量存储效率；“而在我们的案例中，由于一切的结构方式，电荷都集中在表层，”哈顿说。
据研究人员称，用于表面活性离子液体的新型材料，研究人员称之为 SAILs，可用于高温储能的多种应用，例如用于石油钻探或化工厂等高温环境。“电解质在高温下非常安全，甚至性能好，”他说。相比之下，锂离子电池中使用的一些电解质非常易燃。
这种材料有助于提高电容器的性能。此类设备可用于存储电荷，有时用于补充电动汽车中的电池系统以提供额外的功率提升。在电容器中使用这种新材料代替传统电解质可以将其能量密度提高四到五倍。他说，使用新的电解质，的电容器甚至可以储存比电池更多的能量，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。
这种材料也可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，”例如，在各种化学加工和精炼应用以及二氧化碳捕获以及从废物流中回收资源。他说，这些离子液体具有高导电性，可能非常适合许多此类应用。