Oppervlakte-actieve ionische vloeistoffen zijn ideale elektrolyten voor supercondensatoren. Hun vermogen tot zelfassemblage verhoogt de opslagcapaciteit, suggereert een internationaal gezelschap in Nature Materials.

De publicatie laat onvermeld dat ze voor hun vloeistof de anionen hebben geleend van een populair laxeermiddel. Dat de pr-afdeling van een van de betrokken universiteiten daar de kop van het persbericht uit zou destilleren, zal wel onvermijdelijk zijn geweest.

Supercondensatoren slaan energie op in de vorm van een potentiaalverschil tussen twee elektrodes, zonder dat daarbij iets chemisch reageert. De capaciteit is lager dan bij accu’s maar je kunt veel sneller op- en ontladen. Dat maakt supercondensatoren bijvoorbeeld nuttig om teruggewonnen remenergie van elektrische voertuigen tijdelijk op te vangen.

Ze werken met een vloeibaar elektrolyt dat ionen bevat. Bij het opladen vormt zich een laag kationen op de negatieve elektrode, en een laag anionen op de positieve. De laag kationen trekt weer een laag anionen aan, die weer een laag kationen enzovoort. Naarmate je verder van de elektrode komt verwatert dit effect.

Traditioneel gebruik je hier ionen in een oplosmiddel voor. Maar ionische vloeistoffen, zouten die zo moeizaam uitkristalliseren dat ze bij kamertemperatuur nog vloeibaar zijn, liggen alleen al om veiligheidsredenen voor de hand: ze verdampen immers niet, bevatten geen oplosmiddel en zijn nauwelijks brandbaar. Minpuntje is dan weer dat over de complexe interactie tussen kationen en anionen in een ionische vloeistof nog lang niet alles bekend is. Wat er bij de elektrodes gebeurt is dus ook een beetje gissen, terwijl je het wél zou moeten weten om gericht te kunnen kiezen voor een optimale combinatie van ionen.

Bij de surface active ionic liquid (SAIL), waar Xianwen Mao, T. Alan Hatton en collega’s van het MIT octrooi op hebben aangevraagd, is dat nu wel vrij duidelijk. De onderzoekers combineerden 1-butyl-3-methylimidazolium ([C₄C₁Im]⁺, een binnen de ionische vloeistoffenwereld populair kation) met een aantal verschillende anionen van oppervlakte-actieve stoffen. Het grootste deel van hun publicatie gaat over 1,4-bis(2-ethylhexoxy)-1,4-dioxobutaan-2-sulfonaat ([AOT]^-), een anion waarvan het natriumzout onder de naam ‛docusaat’ wordt verkocht als keutelverzachtend middel.

Met diverse meettechnieken, aangedragen door collega’s uit onder meer Bristol, Praag, Lyon, Grenoble en Perth, tonen de auteurs aan dat oppervlakte-actieve anionen in zo’n elektrolyt een dubbellaag vormen met de polaire, hier negatief geladen koppen aan de buitenkant en de apolaire staarten tegen elkaar aan de binnenkant. Precies wat je van ze verwacht, dus. Die dubbellagen (blauw op de afbeelding) worden afgewisseld door ophopingen van [C₄C₁Im]⁺-ionen; met name bij de negatieve elektrode (hier grafeen, maar dat hoeft niet) wordt die laag (de witte bolletjes) duidelijk dikker dan bij een gewoon elektrolyt. De structuur wordt mede bij elkaar gehouden door vanderwaalskrachten, terwijl je bij ‛gewone’ ionische vloeistoffen eigenlijk alleen met elektrostatische krachten hebt te maken.

De onderzoekers hebben deze SAIL vergeleken met een niet-actieve vloeistof (NAIL, noemen ze die) waarin ze de anionen hadden vervangen door simpele BF₄^--ionen. Het verschil lijkt af te hangen van het potentiaalverschil en van de temperatuur: naarmate die twee stijgen, gaat de SAIL het beter doen. De reden is niet helemaal duidelijk maar het moet haast wel met de geordende structuur te maken hebben.

De publicatie besluit dan ook met de opmerking dat je zelfassemblerende designer SAILs moet kunnen ontwerpen die veel beter presteren dan de combinaties van bestaande ionen die voor deze proof of principle zijn gebruikt.

Bron: University of Bristol, Nature Materials