Massachusetts Institute of Technology Neuartiger Elektrolyt für Superkondensatoren

Große Anionen mit langen Schweifen (blau) in ionischen Flüssigkeiten können sie sich selbst zu sandwichartigen Doppelschichtstrukturen auf Elektrodenoberflächen zusammenfügen. Ionische Flüssigkeiten mit solchen Strukturen haben eine deutlich verbesserte Energiespeicherungsfähigkeit.
Große Anionen mit langen Schweifen (blau) in ionischen Flüssigkeiten können sie sich selbst zu sandwichartigen Doppelschichtstrukturen auf Elektrodenoberflächen zusammenfügen. Ionische Flüssigkeiten mit solchen Strukturen haben eine deutlich verbesserte Energiespeicherungsfähigkeit.

Forscher am MIT haben eine neue Klasse von Elektrolyten für Superkondensatoren entwickelt. Bauteile mit dieser Stoffgruppe namens SAILs (Surface-Active Ionic Liquids) könnte vier- bis fünfmal mehr Energie speichern als bislang – verbunden mit einem geringeren Risiko, Feuer zu fangen.

Schon seit Jahrzehnten kennen Forscher eine Klasse von Materialien, die als ionische Flüssigkeiten bekannt sind. Dies sind im Wesentlichen gelöste Salze. Ein Team am Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat diesen Flüssigkeiten nun eine Verbindung zugesetzt, die einem Tensid gleicht. Solche Substanzen werden etwa zur Bekämpfung von Ölteppichen verwendet. Mit der dieser Zugabe zeigen die ionischen Flüssigkeiten »völlig neuartige und ungewöhnliche Eigenschaften, denn sie werden hochviskos«, sagt MIT-Postdoktorand Xianwen Mao, der Erstautor der Studie.

»Es ist kaum vorstellbar, dass sich diese hochviskose Flüssigkeit dazu eignet, Energie zu speichern«, erzählt Mao. »Außerdem stellten wir fest, dass sie, sobald wir sie erwärmen, mehr Energie speichern kann, und zwar mehr als viele andere Elektrolyte.«

Völlig überraschend kommt das nicht, denn auch bei anderen ionischen Flüssigkeiten nehmen mit steigender Temperatur die Energiespeicherkapazität zu, die Viskosität jedoch ab. In diesem Fall bleibt die Viskosität allerdings höher als bei anderen bekannten Elektrolyten, und trotzdem steigt die Energiespeicherkapazität mit zunehmender Temperatur rasant. Das führt dazu, dass dies Gesamtenergiedichte dieses Materials weit über der vieler konventioneller Elektrolyte liegt. Gleichzeitig ist die Substanz stabiler und sicherer.

Ausschlaggebend für seine Wirksamkeit ist die Art und Weise, wie sich die Moleküle in der Flüssigkeit selbstständig ausrichten und in einer geschichteten Konfiguration auf der metallischen Elektrodenoberfläche enden. Die Moleküle, die an einem Ende eine Art »Schweif« haben, richten sich mit den »Köpfen« nach außen zur Elektrode oder von ihr weg aus. Die Schweife wiederum konzentrieren sich alle in der Mitte und bilden eine Art Zwischenlage. Man spricht hier von einer selbstorganisierten Nanostruktur.

»Warum sich der Elektrolyt so anders verhält als herkömmliche Elektrolyte, liegt daran, wie sich die Moleküle selbst zu einer geordneten, geschichteten Struktur zusammensetzen, in der sie mit einem anderen Material in Kontakt kommen, beispielsweise der Elektrode in einem Superkondensator«, erklärt T. Alan Hatton, Professor für Verfahrenstechnik am MIT und leitender Autor der Studie. »Es bildet eine sehr interessante, sandwichartige, zweilagige Struktur.«

Diese stark geordnete Struktur trägt dazu bei, ein Phänomen namens »Overscreening« zu verhindern. Es tritt bei anderen ionischen Flüssigkeiten auf, bei denen die erste Schicht von Ionen, die sich auf einer Elektrodenoberfläche sammeln, mehr elektrische Ladung enthält, als es entsprechende Ladungen auf der Oberfläche der Elektrode gibt. Dies kann dazu führen, dass die Ausrichtung der Ionen stärker streut und der Schichtenverband dicker wird. Dadurch sinkt der Wirkungsgrad der Energiespeicherung. »Bei uns hingegen konzentrieren sich die Ladungen aufgrund der Art und Weise, wie alles strukturiert ist, in der obersten Schicht«, betont Hatton.

Die neue Werkstoffklasse, die die Forscher SAILs (Surface-Active Ionic Liquids) nennen, könnte laut Mao eine Vielzahl von Anwendungen für die hochtemperaturfähige Energiespeicherung haben, zum Beispiel für den Einsatz in heißen Umgebungen wie bei Ölbohrungen oder in Chemieanlagen. »Unser Elektrolyt ist bei hohen Temperaturen sehr sicher und leistet sogar noch mehr«, erklärt er. Im Gegensatz dazu sind einige Elektrolyte, die in Lithium-Ionen-Akkus verwendet werden, leicht entzündlich.

Das Material könnte dazu beitragen, die Leistungsfähigkeit von Superkondensatoren zu verbessern, meint Mao. Mit Hilfe des neuen Materials anstelle eines herkömmlichen Elektrolyts in einem Superkondensator könnte dessen Energiedichte um den Faktor vier oder fünf ansteigen. Mit dem neuen Elektrolyten könnten zukünftige Superkondensatoren sogar mehr Energie speichern als Batterien, meint er, und könnte sogar Batterien in Anwendungen wie Elektrofahrzeugen, persönlicher Elektronik oder netzgestützten Energiespeichern ersetzen.

Originalpublikation

X. Mao, et al., Self-assembled nanostructures in ionic liquids facilitate charge storage at electrified interfaces, Nature Materials, DOI: 10.1038/s41563-019-0449-6