Supercondensateurs, appareils électriques qui stockent et libèrent de l'énergie, besoin d'une couche d'électrolyte - un matériau électriquement conducteur qui peut être solide, liquide, ou quelque part entre les deux. Maintenant, des chercheurs du MIT et de plusieurs autres institutions ont développé une nouvelle classe de liquides qui pourrait ouvrir de nouvelles possibilités pour améliorer l'efficacité et la stabilité de ces dispositifs tout en réduisant leur inflammabilité.

"Ce travail de preuve de concept représente un nouveau paradigme pour le stockage électrochimique de l'énergie, " les chercheurs disent dans leur article décrivant la découverte, qui paraît aujourd'hui dans la revue Matériaux naturels .

Depuis des décennies, les chercheurs ont été au courant d'une classe de matériaux connus sous le nom de liquides ioniques - essentiellement, des sels liquides, mais cette équipe a maintenant ajouté à ces liquides un composé similaire à un tensioactif, comme ceux utilisés pour disperser les déversements de pétrole. Avec l'ajout de ce matériel, les liquides ioniques "ont des propriétés très nouvelles et étranges, " y compris devenir très visqueux, dit le postdoctorant du MIT Xianwen Mao Ph.D. '14, l'auteur principal de l'article.

"Il est difficile d'imaginer que ce liquide visqueux puisse être utilisé pour le stockage d'énergie, " Mao dit, "mais ce que nous trouvons, c'est qu'une fois que nous élevons la température, il peut stocker plus d'énergie, et plus que beaucoup d'autres électrolytes."

Ce n'est pas tout à fait surprenant, il dit, puisqu'avec d'autres liquides ioniques, à mesure que la température augmente, "la viscosité diminue et la capacité de stockage d'énergie augmente." Mais dans ce cas, bien que la viscosité reste supérieure à celle d'autres électrolytes connus, la capacité augmente très rapidement avec l'augmentation de la température. Cela finit par donner au matériau une densité énergétique globale - une mesure de sa capacité à stocker de l'électricité dans un volume donné - qui dépasse celles de nombreux électrolytes conventionnels, et avec une plus grande stabilité et sécurité.

La clé de son efficacité est la façon dont les molécules dans le liquide s'alignent automatiquement, se terminant dans une configuration en couches sur la surface de l'électrode métallique. Les molécules, qui ont une sorte de queue à une extrémité, aligner avec les têtes tournées vers l'extérieur vers l'électrode ou à l'opposé de celle-ci, et les queues se regroupent toutes au milieu, formant une sorte de sandwich. Ceci est décrit comme une nanostructure auto-assemblée.

"La raison pour laquelle il se comporte si différemment" des électrolytes conventionnels est la façon dont les molécules s'assemblent intrinsèquement dans un ordre, structure en couches où ils entrent en contact avec un autre matériau, comme l'électrode à l'intérieur d'un supercondensateur, dit T. Alan Hatton, professeur de génie chimique au MIT et auteur principal de l'article. "Cela forme un très intéressant, en sandwich, structure à double couche."

Cette structure très ordonnée permet d'éviter un phénomène appelé "surcriblage" qui peut se produire avec d'autres liquides ioniques, dans lequel la première couche d'ions (atomes ou molécules chargés électriquement) qui s'accumulent sur une surface d'électrode contient plus d'ions qu'il n'y a de charges correspondantes sur la surface. Cela peut provoquer une distribution plus dispersée des ions, ou une multicouche ionique plus épaisse, et donc une perte d'efficacité dans le stockage de l'énergie; "alors qu'avec notre cas, à cause de la façon dont tout est structuré, les charges sont concentrées dans la couche superficielle, " dit Hatton.

La nouvelle classe de matériaux, que les chercheurs appellent SAILs, pour liquides ioniques tensioactifs, pourrait avoir une variété d'applications pour le stockage d'énergie à haute température, par exemple pour une utilisation dans des environnements chauds comme dans les forages pétroliers ou dans les usines chimiques, selon Mao. "Notre électrolyte est très sûr à haute température, et fonctionne même mieux, " dit-il. En revanche, certains électrolytes utilisés dans les batteries lithium-ion sont assez inflammables.

Le matériau pourrait aider à améliorer les performances des supercondensateurs, dit Mao. De tels dispositifs peuvent être utilisés pour stocker une charge électrique et sont parfois utilisés pour compléter les systèmes de batterie dans les véhicules électriques afin de fournir une puissance supplémentaire. L'utilisation du nouveau matériau au lieu d'un électrolyte conventionnel dans un supercondensateur pourrait augmenter sa densité énergétique d'un facteur quatre ou cinq, dit Mao. En utilisant le nouvel électrolyte, les futurs supercondensateurs pourront même stocker plus d'énergie que les batteries, il dit, remplacer potentiellement même les batteries dans des applications telles que les véhicules électriques, électronique personnelle, ou des installations de stockage d'énergie au niveau du réseau.

Le matériau pourrait également être utile pour une variété de processus de séparation émergents, dit Mao. « De nombreux procédés de séparation nouvellement développés nécessitent un contrôle électrique, " dans diverses applications de traitement chimique et de raffinage et dans le captage du dioxyde de carbone, par exemple, ainsi que la récupération des ressources à partir des flux de déchets. Ces liquides ioniques, étant très conducteur, pourrait être bien adapté à de nombreuses applications de ce type, il dit.

Le matériau qu'ils ont initialement développé n'est qu'un exemple d'une variété de composés SAIL possibles. "Les possibilités sont presque illimitées, " dit Mao. L'équipe va continuer à travailler sur différentes variantes et sur l'optimisation de ses paramètres pour des usages particuliers. " Cela peut prendre quelques mois ou années, " il dit, « mais travailler sur une nouvelle classe de matériaux est très excitant. Il existe de nombreuses possibilités d'optimisation. »

L'équipe de recherche comprenait Paul Brown, Yinying Ren, Agilio Padoue, et Margarida Costa Gomes au MIT; Ctirad Cervinka à l'École Normale Supérieure de Lyon, en France; Gavin Hazell et Julian Eastoe à l'Université de Bristol, au Royaume-Uni.; Hua Li et Rob Atkin à l'Université d'Australie occidentale; et Isabelle Grillo à l'Institut Max-von-Laue-Paul-Langevin de Grenoble, La France. Les chercheurs dédient leur article à la mémoire de Grillo, qui est décédé récemment.

« C'est un résultat très excitant que les liquides ioniques tensioactifs (SAIL) avec des structures amphiphiles puissent s'auto-assembler sur les surfaces des électrodes et améliorer les performances de stockage de charge sur les surfaces électrifiées, " dit Yi Cui, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université de Stanford, qui n'a pas été associé à cette recherche. "Les auteurs ont étudié et compris le mécanisme. Les travaux ici pourraient avoir un grand impact sur la conception de supercondensateurs à haute densité d'énergie, et pourrait également aider à améliorer les performances de la batterie, " il dit.

Nicolas Abbott, un professeur universitaire de chimie à l'Université Cornell, qui n'était pas non plus impliqué dans ce travail, dit "Le document décrit une avancée très intelligente dans le stockage de charge interfaciale, démontrant avec élégance comment la connaissance de l'auto-assemblage moléculaire aux interfaces peut être exploitée pour relever un défi technologique contemporain."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.