Liquides ioniques (ILs) à température ambiante, une classe spéciale de sels fondus, promettent des performances électrochimiques bien supérieures par rapport aux solutions aqueuses conventionnelles en raison d'une suite de propriétés nouvelles et ajustables. Au cours des deux dernières décennies, Les IL ont été explorées comme moyen d'améliorer une gamme de technologies différentes, du stockage et de la conversion d'énergie à la catalyse à la galvanoplastie des métaux et des semi-conducteurs.

Les supercondensateurs à base de carbone qui stockent l'énergie électrique à l'interface nanoporeuse électrode-électrolyte constituent un excellent exemple d'endroit où les IL peuvent faire leur marque. La façon dont les IL s'assemblent à cette interface régit la quantité d'énergie stockée et les taux de charge et de décharge dans les appareils. Cependant, des informations structurelles complètes ont été lentes à évoluer car le comportement des électrolytes aux interfaces et sous confinement est difficile à résoudre. Cela est particulièrement vrai pour les IL, qui présentent des encombrants, configurations moléculaires flexibles et très variables.

Dans une recherche récemment publiée dans The Journal des lettres de chimie physique , Les scientifiques du Lawrence Livemore National Laboratory (LLNL) ont couplé des expériences de rayons X avec des simulations haute fidélité pour étudier une famille largement utilisée de IL confinés dans des nanopores de carbone généralement utilisés dans les supercondensateurs. Le travail représente la première étude qui combine la dynamique moléculaire des premiers principes et la diffusion des rayons X pour analyser les IL spatialement confinés, permettant de nouvelles perspectives sur les propriétés exotiques qui ne se produisent que dans ces espaces exceptionnellement petits.

L'équipe a détecté expérimentalement une perturbation extrême dans la structure des IL, qui a été prédit et expliqué de manière unique par leurs simulations. L'équipe a également démontré comment les écarts par rapport au comportement typique des liquides dépendaient fortement de la taille relative des ions et des pores. Finalement, malgré des écarts importants de structure sous confinement, l'étude indique que la stabilité électrochimique supérieure des IL reste intacte, ce qui est important pour maintenir les performances des dispositifs de stockage d'énergie.

"Le vrai succès est l'intégration entre les simulations de mécanique quantique, synthèse de nanomatériaux sur mesure et caractérisation avancée aux rayons X. Cette puissante combinaison de techniques offre une compréhension beaucoup plus complète de la structure des IL dans des carbones poreux extrêmement étroits, " dit Tuan Anh Pham, Scientifique du LLNL du Quantum Simulations Group et auteur principal de l'article. "L'étude représente des efforts continus au LLNL pour établir une collaboration interdisciplinaire dans le domaine des matériaux énergétiques, comme le Laboratoire des applications énergétiques du futur."

Chercheurs du LLNL et co-auteurs de l'article, Colin Loeb et Patrick Campbell, a tiré parti des connaissances spéciales du laboratoire pour ajuster synthétiquement la taille des pores dans les aérogels de carbone nanoporeux à grande surface. Cette nouvelle capacité matérielle a permis à l'équipe de sonder avec des rayons X synchrotron différents états confinés des liquides ioniques et de reconstituer une image plus complète des effets du confinement sur la structure.

Pour ce travail, LLNL a noué une nouvelle collaboration avec l'Université de Bayreuth en Allemagne pour capitaliser sur une expertise clé dans la caractérisation des structures à moyenne échelle.

« La science des interfaces est un domaine tellement passionnant, où nous ne faisons littéralement qu'effleurer la surface d'une compréhension atomistique de ce qui se passe réellement, " dit Mirijam Zobel, membre du corps professoral du Département de chimie de l'Université de Bayreuth et co-auteur de l'étude. « C'est une expérience enrichissante de faire partie de cette équipe internationale et d'étendre nos connaissances en restructuration interfaciale de liquides complexes.

"J'aime la façon dont les différentes facettes de notre équipe ont repoussé les limites de ce à quoi elles pourraient être habituées techniquement ou scientifiquement pour vraiment s'intégrer ensemble, " a déclaré Eric Meshot, Scientifique du LLNL et chercheur principal du projet. « Nous avons pu découvrir des informations fondamentales clés qui ont des implications pratiques importantes pour les dispositifs de stockage d'énergie. Nous sommes désormais dans une position unique pour réfléchir davantage à la manière dont ces informations peuvent bénéficier à des applications réelles. »