超级电容器是一种储存和释放能量的电气设备，需要一层电解质——即一种可以是固态、液态或介于两者之间的导电材料。现在，麻省理工学院及其他多家机构的研究人员开发出一类新型液体，有望为提高此类设备的效率和稳定性开辟新的可能性，同时降低其易燃性。
“这项概念验证工作代表了电化学储能的一种新范式”，研究人员在描述这一发现的论文中如是说。该论文今日发表于《Nature Materials》期刊。
几十年来，研究人员一直了解一类被称为离子液体的材料——实质上是液态盐——但该团队现已在这些液体中加入了一种类似表面活性剂的化合物，这类表面活性剂常用于分散溢油。加入这种材料后，离子液体“呈现出非常新颖而奇特的性质”，包括变得高度黏稠。麻省理工学院博士后研究员毛献文（Xianwen Mao，2014年获博士学位）是该论文的第一作者。
“很难想象这种黏稠液体可以用于储能，”毛献文说，“但我们发现，一旦升高温度，它就能储存更多能量，而且比许多其他电解质储存的能量更多。”
他表示，这并不完全出人意料，因为对于其他离子液体而言，随着温度升高，“黏度降低，储能容量增加。”但在本案例中，尽管其黏度仍高于其他已知电解质，其容量却随温度升高而迅速增长。最终，该材料获得了总体能量密度——即其在给定体积内储存电能的能力指标——超过许多传统电解质，并且具有更高的稳定性和安全性。
其有效性的关键在于，液体中的分子会自动排列，在金属电极表面形成层状结构。这些分子一端具有类似尾部的结构，其头部朝向电极或背离电极排列，尾部则聚集在中间，形成一种类似三明治的结构。这被描述为一种自组装纳米结构。
麻省理工学院化学工程教授、该论文资深作者T. Alan Hatton表示，该材料“表现出如此不同的行为”，与传统电解质不同，原因在于分子在与另一种材料（例如超级电容器内部的电极）接触时，会内在地自组装成有序的层状结构。“它形成了一种非常有趣的、类似三明治的双层结构。”
这种高度有序的结构有助于防止一种被称为“过屏蔽”的现象，该现象可能出现在其他离子液体中：在电极表面聚集的第一层离子（带电原子或分子）所含离子数量多于表面相应电荷数量。这可能导致离子分布更加分散，或离子多层结构更厚，从而降低储能效率；Hatton表示：“而在我们的案例中，由于一切结构的排布方式，电荷集中在表面层内。”
研究人员将这类新材料称为SAILs，即表面活性离子液体。据毛献文介绍，这类材料可用于高温储能的多种应用场景，例如石油钻探或化工厂等高温环境。他表示：“我们的电解质在高温下非常安全，性能甚至更佳。”相比之下，锂离子电池所用的部分电解质具有较强的易燃性。
毛献文表示，这种材料有助于提升超级电容器的性能。此类设备可用于储存电荷，有时用于补充电动汽车的电池系统，以提供额外的动力助推。毛献文称，在超级电容器中以这种新材料替代传统电解质，可将其能量密度提高四至五倍。他表示，使用这种新型电解质，未来的超级电容器甚至可能比电池储存更多能量，有望在电动汽车、个人电子设备或电网级储能设施等应用中取代电池。
毛献文表示，这种材料还可用于多种新兴分离工艺。“许多新开发的分离工艺需要电力控制，”例如在各类化工加工与精炼应用、二氧化碳捕集以及废物流中的资源回收等领域。他表示，这些离子液体导电性强，可能非常适合许多此类应用。
他们最初开发的这种材料，只是多种可能的SAIL化合物之一。毛献文表示：“可能性几乎是无限的。”该团队将继续研究不同的变体，并针对特定用途优化其参数。他说：“这可能需要几个月或几年时间，但研究一类新材料非常令人兴奋。进一步优化的可能性还有很多。”
研究团队成员包括：麻省理工学院的Paul Brown、Yinying Ren、Agilio Padua和Margarida Costa Gomes；法国里昂高等师范学院的Ctirad Cervinka；英国布里斯托大学的Gavin Hazell和Julian Eastoe；西澳大利亚大学的Hua Li和Rob Atkin；以及法国格勒诺布尔马克斯·冯·劳厄—保罗朗之万研究所的Isabelle Grillo。研究人员将这篇论文献给近期去世的Grillo，以表怀念。
斯坦福大学材料科学与工程教授崔屹（Yi Cui）表示，他并未参与此项研究：“这是一项非常令人振奋的成果，具有两亲结构的表面活性离子液体（SAILs）能够在电极表面自组装，并增强带电表面的电荷存储性能。”他说：“作者已对其机理进行了研究和理解。这项工作可能会对高能量密度超级电容器的设计产生重大影响，也有助于改善电池性能。”
康奈尔大学蒂施大学教授Nicholas Abbott同样未参与这项研究，他表示：“这篇论文描述了界面电荷存储领域一项非常巧妙的进展，清晰地展示了如何利用界面处分子自组装的知识，应对当代的技术挑战。”
该项工作得到了麻省理工学院能源倡议、麻省理工学院—斯科尔科沃科学技术学院奖学金以及捷克科学基金会的支持。
