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Le transport “route” de Proton peut préparer le terrain d'améliorer les batteries de haute puissance

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Les chercheurs ont constaté qu'un mécanisme chimique a décrit la première fois il y a plus de deux siècles tient le potentiel de révolutionner le stockage de l'énergie pour des applications de haute puissance comme des véhicules ou des grilles électriques.

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L'équipe de recherche menée par Xiulei (David) Ji de l'université d'OSU de la Science, avec des collaborateurs au laboratoire national d'Argonne, la rive d'Université de Californie, et le chêne Ridge National Laboratory, sont la première pour démontrer que la diffusion peut ne pas être nécessaire pour transporter les frais ioniques à l'intérieur d'une structure à semi-conducteur hydratée d'une électrode de batterie.

« Cette découverte potentiellement décalera le paradigme entier du stockage de l'énergie électrochimique de haute puissance avec de nouvelles conceptions de bases pour des électrodes, » a dit Xianyong Wu, un chercheur post-doctoral à OSU et le premier auteur de l'article.

Des résultats ont été édités aujourd'hui dans l'énergie de nature.

« Fournissant les électrodes de Faradaic qui ont les moyens la densité d'énergie de la batterie et la puissance du condensateur avec l'excellente vie de cycle a étée un défi important, » a dit Ji, professeur agrégé de chimie. « Jusqu'ici, la majeure partie de l'attention a été consacrée aux ions en métal -- commençant par le lithium et le regard en bas de la table périodique. »

L'équipe de collaboration, cependant, a recherché -- au proton simple de l'hydrogène -- et ils ont également regardé en arrière à temps, à Theodor von Grotthuss, un chimiste lithuanien Allemand-né qui a en 1806 parqué la théorie sur le transport de charge en électrolytes.

Von Grotthuss était juste 20, et vie dans une région assaillie avec le bouleversement politique, quand il a édité le « mémoire sur la décomposition de l'eau et des corps qu'elle tient en solution au moyen d'électricité galvanique » dans un journal scientifique français.

« Dans l'agitation de son temps et endroit, il est parvenu à faire cette grande découverte, » Ji a dit. « Il était le plus en avance pour figurer comment l'électrolyte fonctionne, et il a décrit ce qui est maintenant connu comme mécanisme de Grotthuss : proton transféré par décolleté et formation coopératifs des liaisons hydrogène et liaisons covalentes de l'OH dans le réseau de hydrogène-liaison des molécules d'eau. »

Voici comment cela fonctionne : La charge électrique est conduite quand un atome d'hydrogène pont deux molécules d'eau « commute son allégeance » d'une molécule à l'autre, Wu explique.

« Les éruptions de commutateur ont disjoint un des atomes d'hydrogène qui a été en covalence collé dans la deuxième molécule, déclenchant une chaîne des déplacements semblables dans tout le réseau de hydrogène-liaison, » il a dit. « Le mouvement est comme le berceau d'un Newton : Mener local corrélé de déplacements au transport à longue portée des protons, qui est très différent de la conduction de métal-ion en électrolytes liquides, où les ions solvatisés répandent de longues distances individuellement de la façon véhiculaire. »

Ji supplémentaire : « Les vibrations coopératives de la main de liaison hydrogène et de liaisons covalentes du hydrogène-oxygène pratiquement outre d'un proton d'une extrémité d'une chaîne des molécules d'eau à l'autre extrémité sans le transfert de masse à l'intérieur de la chaîne de l'eau. »

La course de relais moléculaire est l'essence d'un conduit d'une manière fantastique efficace de charge, il a dit.

« Qui est la beauté de elle, » Ji a dit. « Si ce mécanisme est installé dans des électrodes de batterie, le proton ne doit pas serrer par les orifices étroits en structures cristallines. Si nous concevons des matériaux en vue de faciliter ce genre de conduction, ce conduit est si prêt -- nous avons cette route magique de proton incorporée en tant qu'élément du trellis. »

Dans leur expérience, Ji, Wu et leurs collaborateurs ont indiqué la représentation de puissance extrêmement élevée d'une électrode d'un analogue bleu prussien, le bleu de Turnbull -- connu par l'industrie de colorant. Le réseau contigu unique de l'eau de trellis à l'intérieur du trellis de l'électrode démontre la « splendeur » promise par le mécanisme de Grotthuss.

« Les scientifiques informatiques ont accompli le progrès énorme sur comment le proton sautant à cloche-pied se produit vraiment dans l'eau, » Ji de compréhension ont dit. « Mais la théorie de Grotthuss n'a été jamais explorée pour se servir du stockage de l'énergie en détail, en particulier dans une réaction redox bien définie, qui a eu le but pour matérialiser l'impact de cette théorie. »

Tandis que très enthousiaste au sujet de leurs résultats, Ji avertit qu'il reste travail à faire pour atteindre la charge et la décharge ultra-rapides dans des batteries qui sont pratiques pour le transport ou le stockage de l'énergie de grille.

« Sans technologie appropriée comporter la recherche par des scientifiques de matériaux et des ingénieurs électriques, ceci est tout purement théorique, » il a dit. « Pouvez-vous avoir une charge ou un exercice fraction de seconde une chimie de batterie ? Nous l'avons théoriquement démontrée, mais pour la réaliser dans des dispositifs du consommateur, ce pourrait être un voyage de construction très long. En ce moment la communauté de batterie se concentre sur le lithium, le sodium, et d'autres ions en métal, mais les protons sont probablement les porteurs de charge les plus intrigants avec de vastes potentiels inconnus de réaliser. »

Le National Science Foundation et le Département de l'énergie des États-Unis ont soutenu cette recherche.