质子运输承诺更快地为电池充电

回到电化学的早期开发出一种新型电池。可商购的锂离子电池通过将带正电的锂离子从金属氧化物阴极移动到石墨阳极来操作，其中离子在充电期间被储存，并且在放电期间被再次返回。在该过程中，锂离子必须通过电解质扩散出阴极并插入构成阳极的石墨平面中。可以发生这种扩散和嵌入的速率限制了电池可以充电和放电的速度。

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可以实现，”俄勒冈州立大学科学学院的Xiulei(David)Ji表示。 OSU新闻发布。Ji，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，首次证明在电池的水合固态结构内传输离子电荷可能不需要扩散。电极。

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合作团队研究了氢的单质子以及德国出生的立陶宛化学家Theodor von Grotthuss的工作，他于1806年开发了解释电解质中电荷传输的理论。Ji指出，“他是最早弄清楚电解质如何起作用的人，他描述了现在所谓的Grotthuss机制：质子通过协同裂解转移并在水分子的氢键网络中形成氢键和OH共价键。 ”

俄勒冈州立大学的博士后学者吴贤勇补充说，当一个氢原子桥接两个水分子“从一个分子转换到另一个分子”时，就会进行电荷。“开关在第二个分子中共轭键合了一个氢原子，在整个氢键网络中引发了一系列相似的位移，”吴说。“运动就像牛顿的摇篮：相关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，其中溶剂化离子以车辆方式单独漫射长距离，”他补充说。在新闻发布会上。

“氢键和氢氧共价键的协同振动实际上将质子从水分子链的一端传递到另一端，水链内没有传质，”Ji说。“这就是它的美丽。如果将这种机制安装在电池电极中，则质子不必挤过晶体结构中的窄孔。如果我们设计的材料是为了促进这种传导，那么这条管道已经准备就绪 - 我们将这条神奇的质子高速公路作为格子的一部分建成，“他说。

“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是一个巨大的挑战，”Ji说，在他们的实验中，研究人员揭示了普鲁士蓝色模拟电极Turnbull的极高功率性能。蓝色 - 正如染料工业所知。电极格子内部独特的连续晶格水网络展示了Grotthuss机制。

“计算科学家在理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中，其目的是实现这一理论的影响。”

虽然这个概念似乎很有希望，但在制造利用该理论的实用电池之前还有很长的路要走。“没有材料科学家和电气工程师研究的适当技术，这完全是理论上的，”吉说。“你可以进行亚秒级的电池化学充电或放电吗?我们理论上证明了这一点，但要在消费者设备中实现它，它可能是一个非常漫长的工程之旅。目前电池社区专注于锂，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。“

高级编辑凯文克莱门斯30多年来一直在撰写有关能源，汽车和交通主题的文章。他拥有材料工程和环境教育硕士学位以及机械工程博士学位，专攻空气动力学。他在他的工作室里建立了几个关于电动摩托车的世界陆地速度记录。