为提高超级电容器性能而研制的电解液

麻省理工学院和其他几个机构的研究人员已经开发出一种新型液体，它可能为提高使用电解质的超级电容器的效率和稳定性，同时降低其易燃性开辟新的可能性。

几十年来，研究人员已经意识到一类被称为离子液体的材料——本质上是液体盐——但是这个团队现在在这些液体中添加了一种类似于表面活性剂的化合物，就像那些用来分散漏油的表面活性剂一样。麻省理工学院博士后毛贤文博士说，加入这种材料后，离子液体“具有非常新的和奇怪的性质”，包括变得高度粘稠。

“很难想象这种粘稠的液体可以用来储存能量，”毛说，“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多。”毛说，这并不完全令人惊讶，因为对于其他离子液体，随着温度的升高，“粘度降低，能量储存能力增加。”

然而，在这种情况下，尽管粘度保持高于其他已知电解质，但容量随着温度的升高而迅速增加。这最终使这种材料的总能量密度——一种在给定体积内储存电力的能力的衡量标准——超过了许多传统电解质，并且具有更高的稳定性和安全性。

其有效性的关键在于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。分子的一端有一个类似尾巴的东西，排列成一排，头部向外朝向电极或远离电极，尾巴都聚集在中间，形成一种三明治。这被描述为一种自组装纳米结构。

麻省理工学院化学工程教授t·艾伦·哈顿说，“它与传统电解质表现如此不同的原因”是由于分子本身组装成有序的分层结构的方式，在这种结构中，它们与另一种材料接触，比如超级电容器内部的电极。“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中可能发生的“过筛”现象，即在电极表面聚集的第一层离子(带电原子或分子)包含的离子比表面上相应的电荷多。这可能导致离子分布更分散，或离子多层更厚，从而损失能量存储效率;哈顿说:“然而在我们的案例中，由于所有东西的结构方式，电荷集中在表层。”

研究人员将这种新型材料称为表面活性离子液体(SAILs)，它可以在高温储能方面有多种应用，例如在石油钻探或化工厂等高温环境中使用。“我们的电解质在高温下非常安全，甚至性能更好，”他说。相反，锂离子电池中使用的一些电解质非常易燃。

毛说，这种材料可以帮助提高超级电容器的性能。这种装置可以用来储存电荷，有时也用来补充电动汽车的电池系统，以提供额外的动力。毛说，在超级电容器中使用新材料代替传统的电解质可以将其能量密度提高四到五倍。他说，使用这种新型电解质，未来的超级电容器甚至可以比电池储存更多的能量，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。

毛说，这种材料也可以用于各种新兴的分离过程。“许多新开发的分离过程都需要电气控制，”例如，在各种化学加工和精炼应用中，在二氧化碳捕获中，以及从废物流中回收资源中。他说，这些离子液体具有高导电性，可以很好地适用于许多这样的应用。

他们最初开发的材料只是各种可能的SAIL化合物的一个例子。“可能性几乎是无限的，”毛说。该小组将继续研究不同的变体，并为特定用途优化其参数。“这可能需要几个月或几年的时间，”他说，“但研究一类新的材料是非常令人兴奋的。”还有很多进一步优化的可能性。”

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