Liquides ioniques - sels fabriqués en combinant des molécules chargées positivement (cations) et des molécules chargées négativement (anions) qui sont liquides à des températures relativement basses, souvent en dessous de la température ambiante - sont de plus en plus étudiés pour des utilisations dans les batteries, supercondensateurs, et transistors. Leurs propriétés physiques et chimiques uniques, y compris une bonne conductivité ionique, faible inflammabilité et volatilité, et une stabilité thermique élevée, les rendent bien adaptés à de telles applications. Mais des milliers de liquides ioniques existent et leur interaction exacte avec les surfaces électrifiées des électrodes reste mal comprise, ce qui rend difficile le choix du liquide ionique approprié pour une application particulière.

Maintenant, des scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du département américain de l'Énergie (DOE) ont démontré une nouvelle méthode pour observer en temps réel comment les ions de ces liquides se déplacent et se reconfigurent lorsque différentes tensions sont appliquées aux électrodes. La méthode est décrite dans un article publié le 12 mai dans l'édition en ligne de Matériaux avancés .

"Lorsque des électrolytes liquides ioniques entrent en contact avec une électrode électrifiée, une structure spéciale constituée de couches alternées de cations et d'anions - appelée double couche électrique (EDL) - se forme à cette interface, " a déclaré le premier auteur Wattaka Sitaputra, un scientifique du Brookhaven's Center for Functional Nanomaterials (CFN), une installation utilisateur du DOE Office of Science où la recherche a été menée. "Mais suivre l'évolution en temps réel de l'EDL, où se déroulent les réactions électrochimiques dans les batteries, est difficile car il est très fin (seulement quelques nanomètres d'épaisseur) et enterré par la majeure partie du liquide ionique."

Jusqu'à maintenant, les scientifiques n'ont pu observer les structures EDL initiales et finales qu'en utilisant des techniques de microscopie et de spectroscopie; la structure intermédiaire a été plus difficile à sonder. Pour visualiser les changements structurels de l'EDL et le mouvement des ions lorsqu'une tension est appliquée aux électrodes, l'équipe de Brookhaven a utilisé une technique d'imagerie appelée microscopie électronique à photoémission (PEEM). Dans cette technique, les électrons de surface sont excités avec une source d'énergie et accélérés dans un microscope électronique, où ils passent à travers des lentilles grossissantes avant d'être projetés sur un détecteur qui enregistre les électrons émis par la surface. Les variations locales des intensités du signal de photoémission sont ensuite utilisées pour générer des images de contraste de la surface. Dans ce cas, l'équipe a utilisé la lumière ultraviolette pour exciter les électrons à la surface du liquide ionique (connu sous le nom d'EMMIM TFSI) qu'ils ont déposé sous forme de films minces et de deux électrodes en or qu'ils ont fabriquées.

"Imager toute la surface, y compris les électrodes et l'espace entre elles, permet d'étudier non seulement l'évolution de la structure de l'interface liquide ionique-électrode mais aussi de sonder les deux électrodes en même temps en changeant diverses conditions du système, " a déclaré Jerzy (Jurek) Sadowski, scientifique et coauteur du CFN.

Dans cette première démonstration, l'équipe a changé la tension appliquée aux électrodes, l'épaisseur des films liquides ioniques, et la température du système, tout en surveillant les changements d'intensité de photoémission.

Les scientifiques ont découvert que les ions (qui se superposent normalement dans une configuration en damier pour ce liquide ionique) se déplacent et s'organisent en fonction du signe et de l'amplitude de la tension appliquée. Les cations gravitent vers l'électrode avec la polarisation négative pour contrer la charge, et vice versa pour les anions.

Au fur et à mesure que la différence de potentiel augmente entre les deux électrodes, une couche très dense de cations ou d'anions peut s'accumuler à proximité de l'électrode polarisée, empêcher d'autres ions de la même charge de s'y déplacer (phénomène appelé surpeuplement) et réduire la mobilité des ions.

Ils ont également découvert que davantage de contre-ions se rassemblent près de l'électrode polarisée dans des films plus épais.

"Pour les films très minces, le nombre d'ions disponibles pour le réarrangement est petit de sorte que la couche EDL peut ne pas être en mesure de se former, " dit Sitaputra. " Dans les films plus épais, plus d'ions sont disponibles et ils ont plus d'espace pour se déplacer. Ils se précipitent vers l'interface puis se dispersent dans la masse lors du surpeuplement pour former une structure plus stable."

L'équipe a en outre exploré l'importance de la mobilité dans le processus de réarrangement en refroidissant le film plus épais jusqu'à ce que les ions cessent pratiquement de bouger.

Selon l'équipe, appliquer PEEM à une expérience operando est assez nouveau et n'a jamais été fait pour les liquides ioniques.

"Nous avons dû surmonter plusieurs défis techniques dans le montage expérimental, comprenant la conception et la fabrication des électrodes à motifs d'or et l'incorporation du porte-échantillon dans le microscope électronique, ", a expliqué Sadowski. "Les liquides ioniques n'ont probablement pas été étudiés par cette technique, car mettre un liquide dans un microscope à ultravide semble contre-intuitif."

L'équipe prévoit de poursuivre ses recherches en utilisant le nouveau système de microscope électronique à basse énergie à correction d'aberration (LEEM)/PEEM, installé grâce à un partenariat entre le CFN et la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), une autre installation d'utilisateurs du DOE Office of Science à Brookhaven, sur la ligne de faisceau de spectroscopie électronique du NSLS-II. Ce système permettra à l'équipe d'étudier non seulement les changements structurels et électroniques, mais aussi les changements chimiques de l'interface liquide ionique-électrode, le tout en une seule expérience. En déterminant ces propriétés uniques, les scientifiques seront en mesure de sélectionner les liquides ioniques optimaux pour des applications spécifiques de stockage d'énergie.