Grafen, pojedyncza warstwa atomów węgla, jest atrakcyjnym materiałem na elektrody do superkondensatorów ze względu na dużą powierzchnię i wysoką przewodność elektroniki. Podobnie, ciecze jonowe są doskonałym kandydatem ze względu na wysoką stabilność elektrochemiczną. Jednak sposób, w jaki elektrolity z cieczy jonowych wchodzą w interakcje z materiałem węglowym, nie jest jeszcze dobrze poznany.

W ramach finansowanego ze środków UE projektu GRAPHIL naukowcy badali, w jaki sposób zmiany w strukturze elektrolitów z cieczy jonowych mogą oddziaływać na strukturę elektronową grafenu, co z kolei wpływa na wydajność urządzeń magazynujących energię. „Określenie, w jaki sposób naładowane jony i długość łańcucha alkilowego przyłączonego do któregokolwiek z tych jonów wiążą się z powierzchnią elektrody, jest bardzo ważne dla zwiększenia pojemności i wydajności systemów magazynowania energii”, zauważa dr Gangamallaiah Velpula.

Lepsze materiały do magazynowania energii

Kondensatory elektrochemiczne, znane również jako superkondensatory lub ultrakondensatory, magazynują energię elektryczną poprzez odwracalną adsorpcję jonów na powierzchni elektrod. W tych urządzeniach elektrolit tworzy przewodzące połączenie jonowe pomiędzy tymi elektrodami. Spośród materiałów węglowych grafen ma potencjalnie największą powierzchnię, co może znacznie zwiększyć pojemność właściwą. Trudno jest jednak zrozumieć, w jaki sposób jony (zarówno aniony, jak i kationy) są transportowane i jak oddziałują z elektrodami grafenowymi.

Badacze z zespołu projektu GRAPHIL przedstawili podstawowe informacje na temat szczegółowej struktury cienkich warstw cieczy jonowych mających kontakt z grafenem i grafitem oraz ich wpływu na strukturę elektronową grafenu. Badanie dostarcza naukowcom wiedzy na temat sposobu opracowywania bardziej odpowiednich materiałów do urządzeń magazynujących energię.

Oprócz szerokiego okna elektrochemicznego, ciecze jonowe posiadają wyjątkowe właściwości fizykochemiczne, takie jak wysoka stabilność termiczna i niepalność. Właściwości te sprawiają, że nadają się one do stosowania w bateriach.

„Ucieczka termiczna pozostaje jednym z najpoważniejszych zagrożeń związanych z wykorzystaniem akumulatorów litowo-jonowych w magazynowaniu energii lub w zastosowaniach motoryzacyjnych. Niepożądane reakcje pomiędzy komponentami baterii a ciekłym elektrolitem organicznym wywołują reakcję egzotermiczną w baterii, powodując powstawanie coraz większej ilości ciepła, co może ostatecznie doprowadzić do pożaru lub wybuchu”, wyjaśnia dr Velpula. Niepalne ciekłe elektrolity jonowe mogą pomóc w przezwyciężeniu obaw dotyczących bezpieczeństwa związanych ze stosowaniem akumulatorów litowo-jonowych.

Kwestie związane z wielkością anionów

Naukowcy zmieszali grafen z płynem jonowym zawierającym ujemnie i dodatnio naładowane jony. W pierwszym przypadku stosowano kation z imidazolu, a dużym i słabo asocjującym anionem był Tf2N (bis(trifluorometylosulfonylo)imidek), natomiast w drugim – mały i silnie asocjujący tetrafluoroboran (BF4). Wykorzystując mikroskopię sił atomowych, spektroskopię ramanowską i symulacje molekularne, zespół przeanalizował tworzenie się cienkiej warstwy na grafenie i graficie oraz ocenił wpływ struktury międzyfazowej płynów jonowych na strukturę elektronową grafenu.

Wyniki badania wykazały, że wielkość anionu może zmieniać układ molekularny kationów ciekłych i anionów na powierzchni grafenu. Na przykład łączne zastosowanie Tf2N i imidazolu powoduje, że ulegają one adsorpcji na powierzchni elektrody. Natomiast w cieczach jonowych zawierających BF4, w przypadku obu naładowanych cząstek istnieje większe prawdopodobieństwo adsorpcji do grafenu.

Stwierdzono, że w przeciwieństwie do anionów kationy odgrywają niewielką rolę w nanostrukturze cieczy jonowej na styku z elektrodą. W szczególności ciecz jonowa zawierająca niearomatyczne kationy pirolidyny i Tf2N wywierała łagodny wpływ na właściwości grafenu, zwłaszcza na kation o dłuższych łańcuchach alkilowych. Można to przypisać delokalizacji ładunku, która jest mniej powszechna w przypadku pirolidyny niż imidazolu.

Podstawowe informacje zdobyte w projekcie GRAPHIL na temat chemii powierzchni pomiędzy grafenem a cieczami jonowymi będą przydane w inżynierii struktury granic fazowych, co z kolei wpłynie na efektywność urządzeń magazynujących energię.

Źródło: www.cordis.europa.eu