質(zhì)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(xué)(Oregon State University)的研究人員發(fā)現(xiàn)，一種早在兩個多世紀(jì)前就被首次描述的化學(xué)機制鳄橘，有可能徹底改變汽車或電網(wǎng)等大功率應(yīng)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(tài)電池電極的結(jié)構(gòu)寥掐。這一發(fā)現(xiàn)可能會改變大功率電化學(xué)儲能的整個范式，為電極提供新的設(shè)計原則。
研制出法拉達電極，使電池的能量密度和電容器的功率具有良好的循環(huán)壽命睦焕，一直是一個巨大的挑戰(zhàn),到目前為止，人們的注意力主要集中在金屬離子上——從鋰開始靴拱，向下看元素周期表复亏。然而，這個合作小組研究了氫的單個質(zhì)子缭嫡，他們也回顧了歷史。
馮·格羅夫斯(Von Grotthuss) 20歲那年抬闷，生活在一個政治動蕩不安的地區(qū)妇蛀，他在一家法國科學(xué)期刊上發(fā)表了《關(guān)于水分解的回憶錄》(on the decomposition on water and the bodies that it holds in solution by galvanic electricity)耕突。在那個動蕩的時代，在那個動蕩的地方评架，他終于有了這個重大發(fā)現(xiàn)眷茁。他是最早發(fā)現(xiàn)電解質(zhì)工作原理的人，他描述了現(xiàn)在被稱為Grotthuss機制的機制:質(zhì)子在水分子的氫鍵網(wǎng)絡(luò)中通過合作裂解和氫鍵和O-H共價鍵的形成而轉(zhuǎn)移纵诞。
它是這樣工作的:當(dāng)連接兩個水分子的氫原子從一個分子“效忠”到另一個分子時上祈，電荷就被傳導(dǎo)。這個開關(guān)踢斷了第二個分子中共價鍵連接的一個氫原子浙芙，觸發(fā)了整個氫鍵網(wǎng)絡(luò)中類似的位移鏈登刺。這種運動就像牛頓的搖籃:相關(guān)的局部位移導(dǎo)致質(zhì)子的長距離傳輸，這與液態(tài)電解質(zhì)中的金屬離子傳導(dǎo)有很大的不同嗡呼，液態(tài)電解質(zhì)中溶解的離子以車輛的方式分散到很遠的地方纸俭。
Ji補充說:“氫鍵和氫氧共價鍵的協(xié)同振動實際上是將質(zhì)子從水分子鏈的一端傳遞到另一端，而在水分子鏈內(nèi)部沒有質(zhì)量轉(zhuǎn)移南窗∽岷埽”分子接力賽是一種極其高效的充電管道的本質(zhì)，他說万伤≈匣冢“這就是它的美，”紀(jì)說敌买〖蛑椋“如果這種機制安裝在電池電極上，質(zhì)子就不需要通過晶體結(jié)構(gòu)中的小孔放妈。如果我們設(shè)計材料的目的是促進這種傳導(dǎo)北救，這個管道已經(jīng)準(zhǔn)備好了——我們有這個神奇的質(zhì)子高速公路作為晶格的一部分。
在他們的實驗中芜抒，季珍策、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(nèi)部獨特的連續(xù)點陣水網(wǎng)絡(luò)體現(xiàn)了Grotthuss機制所承諾的“宏偉”宅倒∪林妫“計算科學(xué)家在理解質(zhì)子如何在水中跳躍方面取得了巨大進展，”紀(jì)說拐迁〔渑“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(yīng)中线召，它的目的是實現(xiàn)這個理論的影響铺韧。”
盡管對他們的發(fā)現(xiàn)感到非常興奮缓淹，季警告說哈打，在運輸或電網(wǎng)儲能的電池中實現(xiàn)超高速充放電還有很多工作要做塔逃。“如果沒有材料科學(xué)家和電氣工程師參與的適當(dāng)技術(shù)料仗，這一切都是純理論的湾盗，”他說×⒃“你能對電池進行亞秒的化學(xué)充放電嗎?”我們在理論上演示了它格粪，但是要在消費設(shè)備上實現(xiàn)它，可能需要很長的工程過程氛改。目前帐萎，電池界關(guān)注的是鋰、鈉和其他金屬離子平窘，但質(zhì)子可能是最有吸引力的載流子吓肋，具有巨大的未知潛力。
