Ein Forscherteam der HSE MIEM hat gemeinsam mit Kollegen des Instituts für nichtklassische Chemie in Leipzig ein theoretisches Modell einer polymeren ionischen Flüssigkeit auf einer geladenen leitfähigen Elektrode entwickelt. Sie verwendeten Ansätze aus der Polymerphysik und der theoretischen Elektrochemie, um erstmals den Unterschied im Verhalten der elektrischen Differenzkapazität von polymeren und gewöhnlichen ionischen Flüssigkeiten zu demonstrieren. Die Ergebnisse der Studie wurden in veröffentlicht Physikalische Chemie Chemische Physik.
Polymerisierte ionische Flüssigkeiten (PIL) sind eine relativ neue Materialklasse mit zunehmender Anwendung in verschiedenen Bereichen, von der Entwicklung neuer Elektrolyte bis zur Herstellung von Solarzellen. Im Gegensatz zu gewöhnlichen ionischen Flüssigkeiten bei Raumtemperatur (flüssige organische Salze, in denen sich Kationen und Anionen frei bewegen) sind in PILs Kationen normalerweise in langen Polymerketten verbunden, während sich Anionen frei bewegen. In den letzten Jahren wurden PILs (zusammen mit gewöhnlichen ionischen Flüssigkeiten) als Füllung bei der Herstellung von Superkondensatoren verwendet.
Superkondensatoren sind Geräte, die Energie in einer elektrischen Doppelschicht auf der Oberfläche einer Elektrode speichern (wie zum Beispiel in Elektroden aus Platin, Gold und Kohlenstoff). Im Vergleich beispielsweise zu einem Akkumulator speichern Superkondensatoren mehr Energie und tun dies schneller. Die Energiemenge, die ein Superkondensator speichern kann, wird als „Kapazität“ bezeichnet.
Die Autoren der Veröffentlichung waren die ersten, die ein theoretisches Modell des Kapazitätsverhaltens in einer elektrischen Doppelschicht in PILs und ihren Lösungen an der Grenzfläche mit einer geladenen Elektrode in Superkondensatoren erstellten.
Die Wissenschaftler verglichen auch die Kapazität der PILs mit der von gewöhnlichen ionischen Flüssigkeiten bei Raumtemperatur. Die Studie führte zu einem neuen analytischen Ausdruck für die Kapazität unter Niederspannung, der in technischen Berechnungen verwendet werden kann.
Die Autoren untersuchten zwei Modellfälle von Wechselwirkungen zwischen polymerisierten Ionen mit der Oberfläche der Elektrode und fanden sowohl quantitative als auch qualitative Unterschiede im Kapazitätsverhalten gegenüber dem in gewöhnlichen ionischen Flüssigkeiten. Die Forscher prognostizieren für PILs eine enorme Erhöhung der Kapazität im Vergleich zu normalen ionischen Flüssigkeiten mit der gleichen chemischen Zusammensetzung.
Die Studie war die erste, die verdeutlichte, wie sich das Vorhandensein verknüpfter Kationen auf die elektrochemischen Eigenschaften einer ionischen Flüssigkeit an einer geladenen Elektrode auswirkt.
Sie sagen, dass trotz der Tatsache, dass das entwickelte Modell eine ziemlich grobe Beschreibung von PILs auf geladenen Elektroden ist, selbst in diesem Stadium der theoretischen Entwicklung die Ergebnisse für die Entwicklung neuer Superkondensatoren, Brennstoffzellen, Akkumulatoren und Festkörperelektrolyte nützlich sein können .
Yury Budkov, MIEM HSE-Professor, sagt, dass sie „angenommen hatten, dass die geladenen Polymerketten in polymeren ionischen Flüssigkeiten Ionen viel einfacher an eine geladene Elektrode anziehen würden als bei gewöhnlichen ionischen Flüssigkeiten, wo Ionen nicht verbunden sind. Dies wiederum , müsste bei gleichen Spannungen zu höheren Kapazitäten führen. Nach einer rigorosen Berechnung basierend auf einer Kombination von Ansätzen aus der theoretischen Elektrochemie und der Polymerphysik haben wir bestätigt, dass unsere Hypothese richtig war. Wir hoffen, bald einen experimentellen Beweis zu erhalten.“
Yury A. Budkov et al, Elektrochemie trifft Polymerphysik: polymerisierte ionische Flüssigkeiten an einer elektrifizierten Elektrode, Physikalische Chemie Chemische Physik (2021). DOI: 10.1039/D1CP04221A
Bereitgestellt von der National Research University Higher School of Economics