质子传输“高速公路”可能为更好的大功率电池铺平道路
俄勒冈州立大学(Oregon State University)的研究人员发现，一种早在两个多世纪前就被首次描述的化学机制，有可能彻底改变汽车或电网等大功率应用的能量存储方式。研究小组第一个证明扩散可能不是必要的运输在水合离子电荷固态电池电极的结构。这一发现可能会改变大功率电化学储能的整个范式，为电极提供新的设计原则。
研制出法拉达电极，使电池的能量密度和电容器的功率具有良好的循环寿命，一直是一个巨大的挑战,到目前为止，人们的注意力主要集中在金属离子上——从锂开始，向下看元素周期表。然而，这个合作小组研究了氢的单个质子，他们也回顾了历史。
冯·格罗夫斯(Von Grotthuss) 20岁那年，生活在一个政治动荡不安的地区，他在一家法国科学期刊上发表了《关于水分解的回忆录》(on the decomposition on water and the bodies that it holds in solution by galvanic electricity)。在那个动荡的时代，在那个动荡的地方，他终于有了这个重大发现。他是最早发现电解质工作原理的人，他描述了现在被称为Grotthuss机制的机制:质子在水分子的氢键网络中通过合作裂解和氢键和O-H共价键的形成而转移。
它是这样工作的:当连接两个水分子的氢原子从一个分子“效忠”到另一个分子时，电荷就被传导。这个开关踢断了第二个分子中共价键连接的一个氢原子，触发了整个氢键网络中类似的位移链。这种运动就像牛顿的摇篮:相关的局部位移导致质子的长距离传输，这与液态电解质中的金属离子传导有很大的不同，液态电解质中溶解的离子以车辆的方式分散到很远的地方。
Ji补充说:“氢键和氢氧共价键的协同振动实际上是将质子从水分子链的一端传递到另一端，而在水分子链内部没有质量转移。”分子接力赛是一种极其高效的充电管道的本质，他说。“这就是它的美，”纪说。“如果这种机制安装在电池电极上，质子就不需要通过晶体结构中的小孔。如果我们设计材料的目的是促进这种传导，这个管道已经准备好了——我们有这个神奇的质子高速公路作为晶格的一部分。
在他们的实验中，季、吴和他们的合作者揭示了一种普鲁士蓝类似物特恩布尔蓝(Turnbull’s blue)电极的超高功率性能。电极点阵内部独特的连续点阵水网络体现了Grotthuss机制所承诺的“宏伟”。“计算科学家在理解质子如何在水中跳跃方面取得了巨大进展，”纪说。“但是Grotthuss的理论从来没有被详细研究过，尤其是在一个明确定义的氧化还原反应中，它的目的是实现这个理论的影响。”
尽管对他们的发现感到非常兴奋，季警告说，在运输或电网储能的电池中实现超高速充放电还有很多工作要做。“如果没有材料科学家和电气工程师参与的适当技术，这一切都是纯理论的，”他说。“你能对电池进行亚秒的化学充放电吗?”我们在理论上演示了它，但是要在消费设备上实现它，可能需要很长的工程过程。目前，电池界关注的是锂、钠和其他金属离子，但质子可能是最有吸引力的载流子，具有巨大的未知潜力。
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