Líquidos iónicos:sales que se obtienen al combinar moléculas con carga positiva (cationes) y moléculas con carga negativa (aniones) que son líquidas a temperaturas relativamente bajas. a menudo por debajo de la temperatura ambiente, se están investigando cada vez más para su uso en baterías, supercondensadores, y transistores. Sus propiedades físicas y químicas únicas, incluida una buena conductividad iónica, baja inflamabilidad y volatilidad, y alta estabilidad térmica, los hace muy adecuados para tales aplicaciones. Pero existen miles de líquidos iónicos y no se comprende exactamente cómo interactúan con las superficies electrificadas de los electrodos. lo que dificulta la elección del líquido iónico adecuado para una aplicación en particular.

Ahora, Los científicos del Laboratorio Nacional de Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han demostrado un nuevo método para observar en tiempo real cómo se mueven y reconfiguran los iones de dichos líquidos a medida que se aplican diferentes voltajes a los electrodos. El método se describe en un artículo publicado el 12 de mayo en la edición en línea de Materiales avanzados .

"Cuando los electrolitos líquidos iónicos entran en contacto con un electrodo electrificado, una estructura especial que consta de capas alternas de cationes y aniones, llamada doble capa eléctrica (EDL), se forma en esa interfaz, "dijo el primer autor Wattaka Sitaputra, científico del Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN) de Brookhaven, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE donde se llevó a cabo la investigación. "Pero el seguimiento de la evolución en tiempo real de la EDL, donde tienen lugar las reacciones electroquímicas en las baterías, es difícil porque es muy delgado (solo unos pocos nanómetros de espesor) y está enterrado por la mayor parte del líquido iónico ".

Hasta ahora, los científicos solo han podido observar las estructuras EDL inicial y final utilizando técnicas de microscopía y espectroscopía; la estructura intermedia ha sido más difícil de sondear. Para visualizar los cambios estructurales de la EDL y el movimiento de iones a medida que se aplica voltaje a los electrodos, el equipo de Brookhaven utilizó una técnica de imagen llamada microscopía electrónica de fotoemisión (PEEM). En esta técnica, los electrones de superficie se excitan con una fuente de energía y se aceleran en un microscopio electrónico, donde pasan a través de lentes de aumento antes de ser proyectados en un detector que registra los electrones emitidos desde la superficie. A continuación, se utilizan variaciones locales en las intensidades de la señal de fotoemisión para generar imágenes de contraste de la superficie. En este caso, el equipo utilizó luz ultravioleta para excitar los electrones en las superficies del líquido iónico (conocido como EMMIM TFSI) que depositaron como películas delgadas y dos electrodos de oro que fabricaron.

"Tomando imágenes de toda la superficie, incluyendo los electrodos y el espacio entre ellos, nos permite estudiar no solo la evolución de la estructura de la interfaz líquido-electrodo iónico, sino también sondear ambos electrodos al mismo tiempo mientras se cambian varias condiciones del sistema, ", dijo el científico y coautor de CFN Jerzy (Jurek) Sadowski.

En esta demostración inicial, el equipo cambió el voltaje aplicado a los electrodos, el espesor de las películas de líquido iónico, y la temperatura del sistema, todo ello mientras se monitorean los cambios en la intensidad de la fotoemisión.

Los científicos descubrieron que los iones (que normalmente forman una capa en una configuración similar a un tablero de ajedrez para este líquido iónico) se mueven y se organizan de acuerdo con el signo y la magnitud del voltaje aplicado. Los cationes gravitan hacia el electrodo con el sesgo negativo para contrarrestar la carga, y viceversa para los aniones.

A medida que aumenta la diferencia de potencial entre los dos electrodos, una capa muy densa de cationes o aniones puede acumularse cerca del electrodo polarizado, evitar que más iones de la misma carga se muevan allí (un fenómeno llamado hacinamiento) y reducir la movilidad de los iones.

También descubrieron que se acumulan más contraiones cerca del electrodo polarizado en películas más gruesas.

"Para películas muy delgadas, la cantidad de iones disponibles para la reordenación es pequeña, por lo que es posible que la capa de EDL no pueda formarse, "dijo Sitaputra." En las películas más gruesas, hay más iones disponibles y tienen más espacio para moverse. Se apresuran a la interfaz y luego se dispersan de nuevo en la masa cuando hay hacinamiento para formar una estructura más estable ".

El equipo exploró aún más la importancia de la movilidad en el proceso de reordenamiento al enfriar la película más gruesa hasta que los iones prácticamente dejaron de moverse.

Según el equipo, aplicar PEEM a un experimento de operando es bastante novedoso y nunca se ha hecho para líquidos iónicos.

"Tuvimos que superar varios desafíos técnicos en la configuración experimental, incluido el diseño y fabricación de electrodos con patrón dorado e incorporación del portamuestras en el microscopio electrónico, ", explicó Sadowski." Los líquidos iónicos probablemente no se hayan investigado mediante esta técnica porque poner un líquido en un microscopio de vacío ultra alto parece contradictorio ".

El equipo planea continuar su investigación utilizando el nuevo sistema de microscopio electrónico de baja energía con corrección de aberraciones (LEEM) / PEEM, instalado a través de una asociación entre CFN y National Synchrotron Light Source II (NSLS-II). otra instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en Brookhaven, en la línea de luz de espectro microscopía electrónica de NSLS-II. Este sistema permitirá al equipo estudiar no solo los cambios estructurales y electrónicos, sino también los cambios químicos de la interfaz iónica líquido-electrodo, todo en un solo experimento. Al determinar estas propiedades únicas, los científicos podrán seleccionar los líquidos iónicos óptimos para aplicaciones específicas de almacenamiento de energía.