莱斯大学实验室创造的能量存储可能会在石油勘探、太空和军事应用中找到用途

据莱斯大学的研究人员称，粘土是一种丰富而廉价的天然材料，是可以在非常高的温度下工作的超级电容器的关键成分。

莱斯大学材料小组的科学家普利克尔·阿贾扬今天在《自然》在线杂志上报道说，科学报告在高达200摄氏度(392华氏度)甚至更高的温度下，超级电容器是可靠的。它可以用于为极端环境下的设备供电，比如石油钻探、军事和太空。

“我们的目的是完全摆脱传统的液体或凝胶型电解质，这些电解质仅限于电化学设备的低温操作，”第一作者、莱斯大学前研究科学家阿拉瓦·里拉·莫哈娜·雷迪说。

Reddy说:“我们发现基于粘土的膜电解质是一个改变游戏规则的突破，它克服了电化学能源设备高温操作的关键限制之一。”“通过在很宽的温度范围内安全运行，而不影响高能量、功率和循环寿命，我们相信我们可以大大提高甚至消除对昂贵的热管理系统的需求。”

超级电容器结合了在几秒钟内充电并在爆发时释放能量的电容器和充电缓慢但随时间需要释放能量的可充电电池的最佳品质。理想的超级电容器可以快速充电，储存能量并在需要时释放。

阿贾扬说:“多年来，研究人员一直在努力制造能在高温环境中可靠工作的电池和超级电容器等能量存储设备，但考虑到用于制造这些设备的传统材料，这一直具有挑战性。”

特别是，研究人员一直在努力寻找一种电解液它在电池的电极之间传导离子，在加热时不会分解。另一个问题是找到一种不会在高温下收缩并导致短路的分离器。(传统电池的隔膜将阳极和阴极两侧的电解液分开，同时允许离子通过)。

Ajayan说:“我们的创新之处在于找到了一种在高温下保持稳定的非常规电解质/分离器系统。”

由雷迪和雷切尔·博尔赫斯领导的莱斯大学研究人员同时解决了这两个问题。首先，他们调查了使用室温离子液体(RTILs)是由欧洲和澳大利亚的研究人员于2009年开发的。RTILs在室温下表现为低导电性，但在加热时粘度降低，导电性提高。

雷迪说，粘土具有高热稳定性、高吸附能力、大活性表面积和高渗透性，通常用于石油钻井、现代建筑、医疗应用的泥浆中，以及钢铁铸造厂的粘合剂。

等量的RTIL和自然产生的膨润土研究人员将其夹在还原氧化石墨烯层和两个集流器之间形成复合浆糊，形成超级电容器。该装置的测试和随后的电子显微镜图像显示，将其加热到200摄氏度后，材料没有变化。雷迪说，事实上，在300摄氏度的高温下，材料几乎没有什么变化。

“离子电导率几乎呈线性增长，直到材料达到180度，然后在200度达到饱和，”他说。

尽管在初始充放电循环中观察到容量略有下降，但超级电容器在10,000次测试循环中保持稳定。研究人员发现，当工作温度从室温升高到200摄氏度时，能量和功率密度都提高了两个数量级。

该团队将其发现进一步推进，将RTIL/粘土与少量热塑性聚氨酯结合在一起，形成可以切割成各种形状和尺寸的膜片，从而允许设备的设计灵活性。

该论文的共同作者是研究生Marco-Tulio Rodrigues和Hemtej Gullapalli以及前博士后研究员Kaushik Balakrishnan，他们都来自赖斯大学;以及巴西贝洛奥里藏特米纳斯吉拉斯州联邦大学副教授Glaura Silva。Ajayan是莱斯大学机械工程、材料科学和化学的本杰明·m·和玛丽·格林伍德·安德森教授。博尔赫斯是米纳斯吉拉斯州联邦大学的访问学生。雷迪现在是底特律韦恩州立大学的助理教授。

先进能源联盟支持这项研究。

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