质子运输高速公路可能为更好的高功率电池铺平道路

2019-06-12 15:38:51
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俄勒冈州立大学的研究人员发现,两个多世纪以前首次描述的化学机制有可能彻底改变车辆或电网等大功率应用的储能。

由俄勒冈州立大学科学学院的Xiulei(David)Ji领导的研究小组,以及阿贡国家实验室,加州大学河滨分校和橡树岭国家实验室的合作者,首次证明扩散可能不是必要的。在电池电极的水合固态结构内传输离子电荷。

“这一发现可能会改变整个高功率电化学储能模式,采用新的电极设计原则,”俄亥俄州立大学的博士后学者和该文的第一作者吴贤勇说。

调查结果今天发表在Nature Energy上。

“提供能够提供电池能量密度和电容器功率并具有出色循环寿命的法拉第电极一直是一个巨大的挑战,”化学副教授吉说。“到目前为止,大部分注意力都集中在金属离子上 - 从锂开始,俯视周期表。”

然而,合作团队抬头 - 向氢的单个质子 - 他们?#19981;?#39038;了时间,回顾?#35828;?#22269;出生的立陶宛化学家Theodor von Grotthuss,他于1806年撰写了关于电解质中电荷传输的理论。

Von Grotthuss只有20岁,生活在一个充满政治动荡的地区,当时他在法国科学期刊上发表了“关于水的分解以及它通过电流解决方案所持有的物体的回忆录”。

“在他时间和地点的混乱?#26657;?#20182;成功地做出了这一重大发现,”吉说。“他最早弄清楚电解质是如何起作用的,他描述了现在所谓的Grotthuss机制?#21644;?#36807;协同裂解转移质子,并在水分子的氢键网络中形成氢键和OH共价键。”

以?#29575;?#23427;的工作原理:当一个连接两个水分子的氢原子“将其效忠”从一个分子转换到另一个分子时,就会进行电荷,Wu解释道。

他说:“开关在第二个分子中与一个共价键合的氢原子脱离,在整个氢键网络中引发了一系列相似的位移。” “运动就像牛顿的摇篮?#21512;?#20851;的局部位移导致质子的远距离传输,这与液体电解质中的金属离子传导非常不同,溶剂化离子以车辆方式单独漫射长距离。”

Ji补充道:“氢键和氢氧共价键的协同振动?#23548;?#19978;将质子从水分子链的一端传递到另一端,水链内没有传质。”

他说,分子接力赛是一个非常有效的充电管道的精髓。

“这就是它的美丽,”吉说。“如果这种机制安装在电池电极?#26657;?#36136;子就不必挤过晶体结构中的狭窄孔。如果我们设计的材料是为了促进这种传导,那么这个导管已经准备好了 - 我们有这个魔力质子高速公路作为格子的一部分建成。“

在他们的实验?#26657;琂i,Wu和他们的合作者揭示了普鲁士蓝色类似物Turnbull蓝色电极的极高功率性能 - 染料工业已知。电极晶格内部独特的连续晶格水网络展示了Grotthuss机制所?#20449;?#30340;“宏伟”。

“计算科学?#20197;?#29702;解质子跳跃如何在水中真正发生方面取得了巨大进展,”吉说。“但Grotthuss的理论从未被探索过详细利用储能,特别是在明确定义的氧化还原反应?#26657;?#20854;目的是实现这一理论的影响。”

虽然?#36816;?#20204;的研究结果感到非常兴奋,但他提醒说,为了实现运输或电网储能,电池中的超快充电和放电仍有待完成。

“如果没有?#23454;?#30340;?#38469;?#28041;及材料科学家和电气工程师的研究,这完全是理论上的,”他说。“你可以对电池化学品进行亚秒级充电或放电吗?我们理论?#29616;?#26126;了这一点,但要在消费类设备中实现它,这可能是一个漫长的工程之旅。现在电池社区专注于锂,钠和其他金属离子,但质子可能是最有趣的电荷载体,具有巨大的未知潜力。“

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