Протонные «трассы» могут помочь улучшить батареи большой мощности
Исследователи из Университета штата Орегон выяснили, что химический механизм, впервые описанный почти 2 века назад, может произвести революцию в мощных системах хранения энергии.
Команда Сюлея (Давида) Джи работала над проектом со специалистами из Аргоннской и Оук-Риджской национальных лабораторий, а также Калифорнийского университета Риверсайда, сообщает sciencedaily.com. Группа впервые продемонстрировала, что для перемещения ионных зарядов в твердотельной гидратной структуре батарейного электрода не всегда требуется диффузия.
«Открытие способно сместить всю парадигму высокомощных электрохимических систем хранения энергии. Оно предлагает новые принципы дизайна электродов», — сказал первый автор работы, Сяньюн Ву из Университета штата Орегон.
Результаты исследования представлены в Nature Energy.
«Создание фарадеевских электродов было сложной задачей, — объяснил адъюнкт-профессор Джи. – До недавнего времени основное внимание уделялось металлическим ионам – начиная с лития и далее по таблице».
Исследователи переключились на протон водорода и теорию транспорта заряда в электролите, предложенную Теодором фон Гроттуссом в 1806-м. Механизм, описанный ученым, объясняет перемещение частиц путем совместного расщепления и формирования водородных и O-H ковалентных связей в молекулах воды.
«Вот как это работает. Заряд передается, когда атом водорода соединяет 2 молекулы воды, «переключая свою лояльность» с одной на другую, — сказал Ву. – Процесс толкает потерявший ковалентную связь атом водорода во вторую молекулу, запуская каскад аналогичных смещений в сети. Механизм напоминает маятник Ньютона. Согласованные местные смещения ведут к перемещению протонов на большие расстояния. Картина отличается от передачи металлических ионов в жидких электролитах, где сольватированные частицы распространяются по отдельности».
В рассмотренном исследователями явлении совместные вибрации связей буквально перемещают протон с одного конца цепи водных молекул на другую без переноса массы внутри структуры.
«Если применить механизм в электродах, частице не придется протискиваться в узкие отверстия кристаллической структуры», — сказал Джи.
В ходе опытов команда наблюдала высокие энергетические характеристики в структурах из турнбуллевой сини, аналоге берлинской лазури.
Специалисты назвали проект доказательством работоспособности концепции. Они признают, что еще нужно многое сделать для получения сверхбыстрой зарядки и разрядки батарей, подходящих для транспортировки или хранения энергии электросетей. Но авторы высоко оценивают потенциал изучения протонов в данной области.
