質子傳輸“高速公路”可能為更好的大功率電池鋪平道路

質子傳輸“高速公路”可能為更好的大功率電池鋪平道路

質子傳輸“高速公路”可能為更好的大功率電池鋪平道路

俄勒岡州立大學(Oregon State University)的研究人員發現,一種早在兩個多世紀前就被首次描述的化學機制,有可能徹底改變汽車或電網等大功率應用的能量存儲方式。研究小組第一個證明擴散可能不是必要的運輸在水合離子電荷固態電池電極的結構。這一發現可能會改變大功率電化學儲能的整個範式,為電極提供新的設計原則。

研製出法拉達電極,使電池的能量密度和電容器的功率具有良好的循環壽命,一直是一個巨大的挑戰,到目前為止,人們的注意力主要集中在金屬離子上——從鋰開始,向下看元素週期表。然而,這個合作小組研究了氫的單個質子,他們也回顧了歷史。

馮·格羅夫斯(Von Grotthuss) 20歲那年,生活在一個政治動盪不安的地區,他在一家法國科學期刊上發表了《關於水分解的回憶錄》(on the decomposition on water and the bodies that it holds in solution by galvanic electricity)。在那個動盪的時代,在那個動盪的地方,他終於有了這個重大發現。他是最早發現電解質工作原理的人,他描述了現在被稱為Grotthuss機制的機制:質子在水分子的氫鍵網絡中通過合作裂解和氫鍵和O-H共價鍵的形成而轉移。

它是這樣工作的:當連接兩個水分子的氫原子從一個分子“效忠”到另一個分子時,電荷就被傳導。這個開關踢斷了第二個分子中共價鍵連接的一個氫原子,觸發了整個氫鍵網絡中類似的位移鏈。這種運動就像牛頓的搖籃:相關的局部位移導致質子的長距離傳輸,這與液態電解質中的金屬離子傳導有很大的不同,液態電解質中溶解的離子以車輛的方式分散到很遠的地方。

Ji補充說:“氫鍵和氫氧共價鍵的協同振動實際上是將質子從水分子鏈的一端傳遞到另一端,而在水分子鏈內部沒有質量轉移。”分子接力賽是一種極其高效的充電管道的本質,他說。“這就是它的美,”紀說。“如果這種機制安裝在電池電極上,質子就不需要通過晶體結構中的小孔。如果我們設計材料的目的是促進這種傳導,這個管道已經準備好了——我們有這個神奇的質子高速公路作為晶格的一部分。

在他們的實驗中,季、吳和他們的合作者揭示了一種普魯士藍類似物特恩布爾藍(Turnbull’s blue)電極的超高功率性能。電極點陣內部獨特的連續點陣水網絡體現了Grotthuss機制所承諾的“宏偉”。“計算科學家在理解質子如何在水中跳躍方面取得了巨大進展,”紀說。“但是Grotthuss的理論從來沒有被詳細研究過,尤其是在一個明確定義的氧化還原反應中,它的目的是實現這個理論的影響。”

儘管對他們的發現感到非常興奮,季警告說,在運輸或電網儲能的電池中實現超高速充放電還有很多工作要做。“如果沒有材料科學家和電氣工程師參與的適當技術,這一切都是純理論的,”他說。“你能對電池進行亞秒的化學充放電嗎?”我們在理論上演示了它,但是要在消費設備上實現它,可能需要很長的工程過程。目前,電池界關注的是鋰、鈉和其他金屬離子,但質子可能是最有吸引力的載流子,具有巨大的未知潛力。


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