Supercapacitores, dispositivos elétricos que armazenam e liberam energia, precisa de uma camada de eletrólito - um material eletricamente condutor que pode ser sólido, líquido, ou algo no meio. Agora, pesquisadores do MIT e várias outras instituições desenvolveram uma nova classe de líquidos que pode abrir novas possibilidades para melhorar a eficiência e estabilidade de tais dispositivos, reduzindo sua inflamabilidade.

"Este trabalho de prova de conceito representa um novo paradigma para o armazenamento de energia eletroquímica, "os pesquisadores dizem em seu artigo descrevendo a descoberta, que aparece hoje no jornal Materiais da Natureza .

Por décadas, pesquisadores estão cientes de uma classe de materiais conhecidos como líquidos iônicos - essencialmente, sais líquidos, mas esta equipe agora adicionou a esses líquidos um composto que é semelhante a um surfactante, como aqueles usados ​​para dispersar derramamentos de óleo. Com a adição deste material, os líquidos iônicos "têm propriedades muito novas e estranhas, "incluindo se tornar altamente viscoso, diz o pós-doutorado do MIT Xianwen Mao Ph.D. '14, o autor principal do artigo.

"É difícil imaginar que este líquido viscoso possa ser usado para armazenamento de energia, "Mao disse, "mas o que descobrimos é que, uma vez que aumentamos a temperatura, pode armazenar mais energia, e mais do que muitos outros eletrólitos. "

Isso não é totalmente surpreendente, ele diz, já que com outros líquidos iônicos, conforme a temperatura aumenta, "a viscosidade diminui e a capacidade de armazenamento de energia aumenta." Mas neste caso, embora a viscosidade permaneça maior do que a de outros eletrólitos conhecidos, a capacidade aumenta muito rapidamente com o aumento da temperatura. Isso acaba dando ao material uma densidade de energia geral - uma medida de sua capacidade de armazenar eletricidade em um determinado volume - que excede a de muitos eletrólitos convencionais, e com maior estabilidade e segurança.

A chave para sua eficácia é a maneira como as moléculas dentro do líquido se alinham automaticamente, terminando em uma configuração em camadas na superfície do eletrodo de metal. As moléculas, que tem uma espécie de cauda em uma extremidade, alinhe com as cabeças voltadas para fora em direção ao eletrodo ou longe dele, e as caudas se agrupam no meio, formando uma espécie de sanduíche. Isso é descrito como uma nanoestrutura automontada.

"A razão pela qual ele está se comportando de maneira tão diferente" dos eletrólitos convencionais é a maneira como as moléculas se montam intrinsecamente em um estrutura em camadas onde entram em contato com outro material, como o eletrodo dentro de um supercapacitor, diz T. Alan Hatton, professor de engenharia química no MIT e autor sênior do artigo. "É uma forma muito interessante, como um sanduíche, estrutura de camada dupla. "

Esta estrutura altamente ordenada ajuda a prevenir um fenômeno chamado "overscreening" que pode ocorrer com outros líquidos iônicos, em que a primeira camada de íons (átomos ou moléculas eletricamente carregados) que se acumulam na superfície de um eletrodo contém mais íons do que as cargas correspondentes na superfície. Isso pode causar uma distribuição mais espalhada de íons, ou uma multicamada de íon mais espessa, e, portanto, uma perda de eficiência no armazenamento de energia; "enquanto no nosso caso, por causa da forma como tudo está estruturado, cargas estão concentradas dentro da camada superficial, "Hatton diz.

A nova classe de materiais, que os pesquisadores chamam de SAILs, para líquidos iônicos tensoativos, poderia ter uma variedade de aplicações para armazenamento de energia em alta temperatura, por exemplo, para uso em ambientes quentes, como em perfuração de petróleo ou em fábricas de produtos químicos, de acordo com Mao. "Nosso eletrólito é muito seguro em altas temperaturas, e ainda tem um desempenho melhor, "diz ele. Em contraste, alguns eletrólitos usados ​​em baterias de íon de lítio são bastante inflamáveis.

O material pode ajudar a melhorar o desempenho dos supercapacitores, Mao diz. Esses dispositivos podem ser usados ​​para armazenar carga elétrica e às vezes são usados ​​para complementar os sistemas de bateria em veículos elétricos para fornecer um impulso extra de energia. Usar o novo material em vez de um eletrólito convencional em um supercapacitor pode aumentar sua densidade de energia por um fator de quatro ou cinco, Mao diz. Usando o novo eletrólito, futuros supercapacitores podem até ser capazes de armazenar mais energia do que baterias, ele diz, potencialmente até mesmo a substituição de baterias em aplicações como veículos elétricos, eletrônicos pessoais, ou instalações de armazenamento de energia em nível de rede.

O material também pode ser útil para uma variedade de processos de separação emergentes, Mao diz. "Muitos processos de separação desenvolvidos recentemente requerem controle elétrico, "em várias aplicações de processamento químico e refino e na captura de dióxido de carbono, por exemplo, bem como a recuperação de recursos de fluxos de resíduos. Esses líquidos iônicos, sendo altamente condutivo, pode ser adequado para muitas dessas aplicações, ele diz.

O material que eles desenvolveram inicialmente é apenas um exemplo de uma variedade de compostos SAIL possíveis. "As possibilidades são quase ilimitadas, "Mao diz. A equipe continuará a trabalhar em diferentes variações e na otimização de seus parâmetros para usos específicos." Pode levar alguns meses ou anos, " ele diz, "mas trabalhar em uma nova classe de materiais é muito empolgante de fazer. Existem muitas possibilidades para otimização posterior."

A equipe de pesquisa incluiu Paul Brown, Yinying Ren, Agilio Padua, e Margarida Costa Gomes no MIT; Ctirad Cervinka na École Normale Supérieure de Lyon, na França; Gavin Hazell e Julian Eastoe na Universidade de Bristol, no Reino Unido.; Hua Li e Rob Atkin, da University of Western Australia; e Isabelle Grillo no Institut Max-von-Laue-Paul-Langevin em Grenoble, França. Os pesquisadores dedicam seu artigo à memória de Grillo, que faleceu recentemente.

"É um resultado muito empolgante que líquidos iônicos de superfície ativa (SAILs) com estruturas anfifílicas possam se automontar em superfícies de eletrodo e melhorar o desempenho de armazenamento de carga em superfícies eletrificadas, "diz Yi Cui, professor de ciência de materiais e engenharia na Universidade de Stanford, que não se associou a esta pesquisa. "Os autores estudaram e compreenderam o mecanismo. O trabalho aqui pode ter um grande impacto no projeto de supercapacitores de alta densidade de energia, e também pode ajudar a melhorar o desempenho da bateria, " ele diz.

Nicholas Abbott, um professor universitário de química na Cornell University, que também não estava envolvido neste trabalho, diz "O artigo descreve um avanço muito inteligente no armazenamento de carga interfacial, demonstrando elegantemente como o conhecimento de automontagem molecular em interfaces pode ser aproveitado para enfrentar um desafio tecnológico contemporâneo. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.