質(zhì)子運(yùn)輸承諾更快地為電池充電

回到電化學(xué)的早期開發(fā)出一種新型電池。可商購(gòu)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(dòng)到石墨陽極來操作，其中離子在充電期間被儲(chǔ)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(kuò)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(kuò)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(shí)現(xiàn)，”俄勒岡州立大學(xué)科學(xué)學(xué)院的Xiulei(David)Ji表示。 OSU新聞發(fā)布。Ji，以及阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，加州大學(xué)河濱分校和橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(kuò)散。電極。

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合作團(tuán)隊(duì)研究了氫的單質(zhì)子以及德國(guó)出生的立陶宛化學(xué)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(jī)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(jià)鍵。 ”

俄勒岡州立大學(xué)的博士后學(xué)者吳賢勇補(bǔ)充說，當(dāng)一個(gè)氫原子橋接兩個(gè)水分子“從一個(gè)分子轉(zhuǎn)換到另一個(gè)分子”時(shí)，就會(huì)進(jìn)行電荷。“開關(guān)在第二個(gè)分子中共軛鍵合了一個(gè)氫原子，在整個(gè)氫鍵網(wǎng)絡(luò)中引發(fā)了一系列相似的位移，”吳說。“運(yùn)動(dòng)就像牛頓的搖籃：相關(guān)的局部位移導(dǎo)致質(zhì)子的遠(yuǎn)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(dú)漫射長(zhǎng)距離，”他補(bǔ)充說。在新聞發(fā)布會(huì)上。

“氫鍵和氫氧共價(jià)鍵的協(xié)同振動(dòng)實(shí)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(jī)制安裝在電池電極中，則質(zhì)子不必?cái)D過晶體結(jié)構(gòu)中的窄孔。如果我們?cè)O(shè)計(jì)的材料是為了促進(jìn)這種傳導(dǎo)，那么這條管道已經(jīng)準(zhǔn)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(gè)巨大的挑戰(zhàn)，”Ji說，在他們的實(shí)驗(yàn)中，研究人員揭示了普魯士藍(lán)色模擬電極Turnbull的極高功率性能。藍(lán)色 - 正如染料工業(yè)所知。電極格子內(nèi)部獨(dú)特的連續(xù)晶格水網(wǎng)絡(luò)展示了Grotthuss機(jī)制。

“計(jì)算科學(xué)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(jìn)展，”吉說。“但Grotthuss的理論從未被探索過詳細(xì)利用儲(chǔ)能，特別是在明確定義的氧化還原反應(yīng)中，其目的是實(shí)現(xiàn)這一理論的影響。”

雖然這個(gè)概念似乎很有希望，但在制造利用該理論的實(shí)用電池之前還有很長(zhǎng)的路要走。“沒有材料科學(xué)家和電氣工程師研究的適當(dāng)技術(shù)，這完全是理論上的，”吉說。“你可以進(jìn)行亞秒級(jí)的電池化學(xué)充電或放電嗎?我們理論上證明了這一點(diǎn)，但要在消費(fèi)者設(shè)備中實(shí)現(xiàn)它，它可能是一個(gè)非常漫長(zhǎng)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(jí)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(xué)位以及機(jī)械工程博士學(xué)位，專攻空氣動(dòng)力學(xué)。他在他的工作室里建立了幾個(gè)關(guān)于電動(dòng)摩托車的世界陸地速度記錄。