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    Un nuevo tipo de electrolito podría mejorar el rendimiento del supercondensador

    Los aniones grandes con colas largas (azules) en los líquidos iónicos pueden hacer que se autoensamblen en estructuras de dos capas en forma de sándwich en las superficies de los electrodos. Los líquidos iónicos con tales estructuras tienen capacidades de almacenamiento de energía mucho mejores. Crédito:Xianwen Mao, MIT

    Supercondensadores, dispositivos eléctricos que almacenan y liberan energía, necesitan una capa de electrolito, un material conductor de electricidad que puede ser sólido, líquido, o en algún punto intermedio. Ahora, Los investigadores del MIT y varias otras instituciones han desarrollado una nueva clase de líquidos que pueden abrir nuevas posibilidades para mejorar la eficiencia y estabilidad de tales dispositivos al tiempo que reducen su inflamabilidad.

    "Este trabajo de prueba de concepto representa un nuevo paradigma para el almacenamiento de energía electroquímica, "dicen los investigadores en su artículo que describe el hallazgo, que aparece hoy en la revista Materiales de la naturaleza .

    Por décadas, Los investigadores han conocido una clase de materiales conocidos como líquidos iónicos, esencialmente, sales líquidas, pero este equipo ahora ha agregado a estos líquidos un compuesto que es similar a un surfactante, como las que se utilizan para dispersar los derrames de petróleo. Con la adición de este material, los líquidos iónicos "tienen propiedades muy nuevas y extrañas, "incluso volverse muy viscoso, dice el postdoctorado del MIT Xianwen Mao Ph.D. '14, el autor principal del artículo.

    "Es difícil imaginar que este líquido viscoso pueda utilizarse para el almacenamiento de energía, "Mao dice, "pero lo que encontramos es que una vez que subimos la temperatura, puede almacenar más energía, y más que muchos otros electrolitos ".

    Eso no es del todo sorprendente, él dice, ya que con otros líquidos iónicos, a medida que aumenta la temperatura, "la viscosidad disminuye y la capacidad de almacenamiento de energía aumenta". Pero en este caso, aunque la viscosidad permanece más alta que la de otros electrolitos conocidos, la capacidad aumenta muy rápidamente al aumentar la temperatura. Eso termina dando al material una densidad de energía general, una medida de su capacidad para almacenar electricidad en un volumen dado, que excede las de muchos electrolitos convencionales. y con mayor estabilidad y seguridad.

    La clave de su eficacia es la forma en que las moléculas dentro del líquido se alinean automáticamente, terminando en una configuración de capas en la superficie del electrodo de metal. Las moléculas, que tienen una especie de cola en un extremo, alinearse con las cabezas mirando hacia afuera hacia el electrodo o lejos de él, y todas las colas se agrupan en el medio, formando una especie de sándwich. Esto se describe como una nanoestructura autoensamblada.

    "La razón por la que se comporta de manera tan diferente" a los electrolitos convencionales se debe a la forma en que las moléculas se ensamblan intrínsecamente en un orden, estructura en capas donde entran en contacto con otro material, como el electrodo dentro de un supercondensador, dice T. Alan Hatton, profesor de ingeniería química en el MIT y autor principal del artículo. "Forma una muy interesante, como un sándwich estructura de doble capa ".

    Esta estructura altamente ordenada ayuda a prevenir un fenómeno llamado "sobrepantallamiento" que puede ocurrir con otros líquidos iónicos, en el que la primera capa de iones (átomos o moléculas cargados eléctricamente) que se acumulan en la superficie de un electrodo contiene más iones que las cargas correspondientes en la superficie. Esto puede provocar una distribución más dispersa de iones, o una multicapa de iones más gruesa, y por tanto una pérdida de eficiencia en el almacenamiento de energía; "mientras que en nuestro caso, por la forma en que todo está estructurado, las cargas se concentran dentro de la capa superficial, "Dice Hatton.

    La nueva clase de materiales, que los investigadores llaman SAILs, para líquidos iónicos tensioactivos, podría tener una variedad de aplicaciones para el almacenamiento de energía a alta temperatura, por ejemplo, para su uso en entornos cálidos, como en la extracción de petróleo o en plantas químicas, según Mao. "Nuestro electrolito es muy seguro a altas temperaturas, e incluso funciona mejor, ", dice. En contraste, Algunos electrolitos utilizados en las baterías de iones de litio son bastante inflamables.

    El material podría ayudar a mejorar el rendimiento de los supercondensadores, Dice Mao. Dichos dispositivos se pueden usar para almacenar carga eléctrica y, a veces, se usan para complementar los sistemas de baterías en vehículos eléctricos para proporcionar un impulso adicional de energía. El uso del nuevo material en lugar de un electrolito convencional en un supercondensador podría aumentar su densidad de energía en un factor de cuatro o cinco, Dice Mao. Usando el nuevo electrolito, los futuros supercondensadores pueden incluso almacenar más energía que las baterías, él dice, potencialmente incluso reemplazando baterías en aplicaciones como vehículos eléctricos, electrónica personal, o instalaciones de almacenamiento de energía a nivel de red.

    El material también podría ser útil para una variedad de procesos de separación emergentes, Dice Mao. "Muchos procesos de separación desarrollados recientemente requieren control eléctrico, "en diversas aplicaciones de procesamiento y refinación de productos químicos y en la captura de dióxido de carbono, por ejemplo, así como la recuperación de recursos de las corrientes de desechos. Estos líquidos iónicos, siendo altamente conductivo, podría ser adecuado para muchas de estas aplicaciones, él dice.

    El material que desarrollaron inicialmente es solo un ejemplo de una variedad de posibles compuestos SAIL. "Las posibilidades son casi ilimitadas, "Dice Mao. El equipo continuará trabajando en diferentes variaciones y en la optimización de sus parámetros para usos particulares". Podría llevar algunos meses o años, " él dice, "pero trabajar en una nueva clase de materiales es muy emocionante. Hay muchas posibilidades para una mayor optimización".

    El equipo de investigación incluyó a Paul Brown, Yinying Ren, Agilio Padua, y Margarida Costa Gomes en MIT; Ctirad Cervinka en École Normale Supérieure de Lyon, en Francia; Gavin Hazell y Julian Eastoe en la Universidad de Bristol, en el Reino Unido.; Hua Li y Rob Atkin de la Universidad de Australia Occidental; e Isabelle Grillo en el Institut Max-von-Laue-Paul-Langevin en Grenoble, Francia. Los investigadores dedican su artículo a la memoria de Grillo, que falleció recientemente.

    "Es un resultado muy emocionante que los líquidos iónicos tensioactivos (SAIL) con estructuras anfifílicas puedan autoensamblarse en las superficies de los electrodos y mejorar el rendimiento del almacenamiento de carga en las superficies electrificadas, "dice Yi Cui, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Stanford, que no estuvo asociado con esta investigación. "Los autores han estudiado y comprendido el mecanismo. El trabajo aquí podría tener un gran impacto en el diseño de supercondensadores de alta densidad de energía, y también podría ayudar a mejorar el rendimiento de la batería, " él dice.

    Nicholas Abbott, un profesor universitario de química en la Universidad de Cornell, quien tampoco estuvo involucrado en este trabajo, dice "El documento describe un avance muy inteligente en el almacenamiento de cargas interfaciales, demostrando elegantemente cómo se puede aprovechar el conocimiento del autoensamblaje molecular en las interfaces para abordar un desafío tecnológico contemporáneo ".

    Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.




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