質(zhì)子運輸承諾更快地為電池充電

回到電化學的早期開發(fā)出一種新型電池。可商購的鋰離子電池通過將帶正電的鋰離子從金屬氧化物陰極移動到石墨陽極來操作，其中離子在充電期間被儲存，并且在放電期間被再次返回。在該過程中，鋰離子必須通過電解質(zhì)擴散出陰極并插入構(gòu)成陽極的石墨平面中?？梢园l(fā)生這種擴散和嵌入的速率限制了電池可以充電和放電的速度。

鈉和其他金屬離子，但質(zhì)子可能是最有趣的電荷載體，具有巨大的未知潛力可以實現(xiàn)，”俄勒岡州立大學科學學院的Xiulei(David)Ji表示。 OSU新聞發(fā)布。Ji，以及阿貢國家實驗室，加州大學河濱分校和橡樹嶺國家實驗室的合作者，首次證明在電池的水合固態(tài)結(jié)構(gòu)內(nèi)傳輸離子電荷可能不需要擴散。電極。

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合作團隊研究了氫的單質(zhì)子以及德國出生的立陶宛化學家Theodor von Grotthuss的工作，他于1806年開發(fā)了解釋電解質(zhì)中電荷傳輸?shù)睦碚?。Ji指出，“他是最早弄清楚電解質(zhì)如何起作用的人，他描述了現(xiàn)在所謂的Grotthuss機制：質(zhì)子通過協(xié)同裂解轉(zhuǎn)移并在水分子的氫鍵網(wǎng)絡(luò)中形成氫鍵和OH共價鍵。 ”

俄勒岡州立大學的博士后學者吳賢勇補充說，當一個氫原子橋接兩個水分子“從一個分子轉(zhuǎn)換到另一個分子”時，就會進行電荷。“開關(guān)在第二個分子中共軛鍵合了一個氫原子，在整個氫鍵網(wǎng)絡(luò)中引發(fā)了一系列相似的位移，”吳說。“運動就像牛頓的搖籃：相關(guān)的局部位移導(dǎo)致質(zhì)子的遠距離傳輸，這與液體電解質(zhì)中的金屬離子傳導(dǎo)非常不同，其中溶劑化離子以車輛方式單獨漫射長距離，”他補充說。在新聞發(fā)布會上。

“氫鍵和氫氧共價鍵的協(xié)同振動實際上將質(zhì)子從水分子鏈的一端傳遞到另一端，水鏈內(nèi)沒有傳質(zhì)，”Ji說。“這就是它的美麗。如果將這種機制安裝在電池電極中，則質(zhì)子不必擠過晶體結(jié)構(gòu)中的窄孔。如果我們設(shè)計的材料是為了促進這種傳導(dǎo)，那么這條管道已經(jīng)準備就緒 - 我們將這條神奇的質(zhì)子高速公路作為格子的一部分建成，“他說。

“提供能夠提供電池能量密度和電容器功率并具有出色循環(huán)壽命的法拉第電極是一個巨大的挑戰(zhàn)，”Ji說，在他們的實驗中，研究人員揭示了普魯士藍色模擬電極Turnbull的極高功率性能。藍色 - 正如染料工業(yè)所知。電極格子內(nèi)部獨特的連續(xù)晶格水網(wǎng)絡(luò)展示了Grotthuss機制。

“計算科學家在理解質(zhì)子跳躍如何在水中真正發(fā)生方面取得了巨大進展，”吉說。“但Grotthuss的理論從未被探索過詳細利用儲能，特別是在明確定義的氧化還原反應(yīng)中，其目的是實現(xiàn)這一理論的影響。”

雖然這個概念似乎很有希望，但在制造利用該理論的實用電池之前還有很長的路要走。“沒有材料科學家和電氣工程師研究的適當技術(shù)，這完全是理論上的，”吉說。“你可以進行亞秒級的電池化學充電或放電嗎?我們理論上證明了這一點，但要在消費者設(shè)備中實現(xiàn)它，它可能是一個非常漫長的工程之旅。目前電池社區(qū)專注于鋰，鈉和其他金屬離子，但質(zhì)子可能是最有趣的電荷載體，具有巨大的未知潛力。“

高級編輯凱文克萊門斯30多年來一直在撰寫有關(guān)能源，汽車和交通主題的文章。他擁有材料工程和環(huán)境教育碩士學位以及機械工程博士學位，專攻空氣動力學。他在他的工作室里建立了幾個關(guān)于電動摩托車的世界陸地速度記錄。