Protontransportmotorvej kan bane vej for bedre højeffektbatterier

Forskere ved Oregon State University har fundet ud af, at en kemisk mekanisme, der først blev beskrevet for mere end to århundreder siden, rummer potentialet til at revolutionere energilagring til højeffektapplikationer som køretøjer eller elektriske net.

Forskerholdet ledet af Xiulei (David) Ji fra OSU's College of Science, sammen med samarbejdspartnere ved Argonne National Laboratory, University of California Riverside, og Oak Ridge National Laboratory, er de første til at demonstrere, at diffusion muligvis ikke er nødvendig for at transportere ioniske ladninger inde i en hydreret faststofstruktur af en batterielektrode.

"Denne opdagelse vil potentielt ændre hele paradigmet for højeffekt elektrokemisk energilagring med nye designprincipper for elektroder, " sagde Xianyong Wu, en postdoc ved OSU og artiklens første forfatter.

Resultaterne blev offentliggjort i dag i Naturenergi .

"Det har været en stor udfordring at komme op med Faradaic-elektroder, der giver batteriets energitæthed og kondensatorkraft med fremragende cykluslevetid, " sagde Ji, lektor i kemi. "Indtil nu, det meste af opmærksomheden har været viet til metalioner - begyndende med lithium og kigge ned i det periodiske system."

Samarbejdsteamet, imidlertid, så op – til brintets enkelte proton – og de så også tilbage i tiden, til Theodor von Grotthuss, en tyskfødt litauisk kemiker, der i 1806 skrev teorien om ladningstransport i elektrolytter.

Von Grotthuss var kun 20, og bor i en region præget af politiske omvæltninger, da han udgav "Memoir om nedbrydning af vand og af de legemer, som det holder i opløsning ved hjælp af galvanisk elektricitet" i et fransk videnskabeligt tidsskrift.

"I uroen i hans tid og sted, han formåede at gøre denne store opdagelse, " sagde Ji. "Han var den tidligste til at finde ud af, hvordan elektrolyt virker, og han beskrev, hvad der nu er kendt som Grotthuss-mekanismen:proton overført ved kooperativ spaltning og dannelse af brintbindinger og OH-kovalente bindinger inden for hydrogenbindingsnetværket af vandmolekyler."

Sådan fungerer det:Elektrisk ladning ledes, når et brintatom, der bygger bro mellem to vandmolekyler, "skifter sin troskab" fra det ene molekyle til det andet, Wu forklarer.

"Switchen sparker usammenhængende et af de hydrogenatomer, der var kovalent bundet i det andet molekyle, udløser en kæde af lignende forskydninger gennem hydrogenbindingsnetværket, " sagde han. "Bevægelsen er som en Newtons vugge:Korrelerede lokale forskydninger fører til langtrækkende transport af protoner, som er meget forskellig fra metalionledning i flydende elektrolytter, hvor solvatiserede ioner diffunderer lange afstande individuelt på den køretøjsmæssige måde."

Tilføjet Ji:"De samarbejdsvibrationer af brintbinding og brint-oxygen kovalente bindinger afgiver praktisk talt en proton fra den ene ende af en kæde af vandmolekyler til den anden ende uden masseoverførsel inde i vandkæden."

Det molekylære stafetløb er essensen af ​​en fantastisk effektiv ladekanal, han sagde.

"Det er det smukke ved det, " sagde Ji. "Hvis denne mekanisme er installeret i batterielektroder, protonen behøver ikke at presse sig gennem smalle åbninger i krystalstrukturer. Hvis vi designer materialer med det formål at lette denne form for ledning, denne ledning er så klar - vi har denne magiske protonmotorvej indbygget som en del af gitteret."

I deres eksperiment, Ji, Wu og deres samarbejdspartnere afslørede den ekstremt høje effektydelse af en elektrode af en preussisk blå analog, Turnbull's blue - kendt af farvestofindustrien. Det unikke sammenhængende gittervandnetværk inde i elektrodens gitter demonstrerer den "storhed", som Grotthuss-mekanismen lover.

"Beregningsforskere har gjort enorme fremskridt med at forstå, hvordan protonhoppingen virkelig opstår i vand, " sagde Ji. "Men Grotthuss' teori blev aldrig udforsket for at udnytte energilagring i detaljer, især i en veldefineret redoxreaktion, som havde til formål at materialisere virkningen af ​​denne teori."

Selvom de er meget begejstrede for deres resultater, Ji advarer om, at der stadig er arbejde at gøre for at opnå ultrahurtig opladning og afladning i batterier, der er praktiske til transport eller netenergilagring.

"Uden den rette teknologi, der involverer forskning fra materialeforskere og elektriske ingeniører, det hele er rent teoretisk, " sagde han. "Kan du få en sub-sekund opladning eller afladning af et batteri kemi? Vi demonstrerede det teoretisk, men for at realisere det i forbrugerenheder, det kunne blive en meget lang ingeniørrejse. Lige nu fokuserer batterisamfundet på lithium, natrium, og andre metalioner, men protoner er nok de mest spændende ladningsbærere med enorme ukendte potentialer at realisere."