Onderzoekers van de Oregon State University hebben ontdekt dat een chemisch mechanisme dat meer dan twee eeuwen geleden voor het eerst werd beschreven, het potentieel heeft om een ​​revolutie teweeg te brengen in de energieopslag voor krachtige toepassingen zoals voertuigen of elektriciteitsnetten.

Het onderzoeksteam onder leiding van Xiulei (David) Ji van OSU's College of Science, samen met medewerkers van het Argonne National Laboratory, de University of California Riverside, en het Oak Ridge National Laboratory, zijn de eersten die aantonen dat diffusie misschien niet nodig is om ionische ladingen te transporteren in een gehydrateerde vastestofstructuur van een batterij-elektrode.

"Deze ontdekking zal mogelijk het hele paradigma van krachtige elektrochemische energieopslag veranderen met nieuwe ontwerpprincipes voor elektroden, " zei Xianyong Wu, een postdoctoraal onderzoeker bij OSU en de eerste auteur van het artikel.

De bevindingen zijn vandaag gepubliceerd in Natuur Energie .

"Het was een grote uitdaging om Faradaïsche elektroden te bedenken die de energiedichtheid van de batterij en het vermogen van de condensator met een uitstekende levensduur mogelijk maken, " zei Ji, universitair hoofddocent scheikunde. "Tot dusver, de meeste aandacht is besteed aan metaalionen - te beginnen met lithium en naar beneden te kijken in het periodiek systeem."

Het samenwerkingsteam, echter, keken omhoog - naar het ene proton van waterstof - en ze keken ook terug in de tijd, aan Theodor von Grotthuss, een in Duitsland geboren Litouwse chemicus die in 1806 de theorie schreef over ladingstransport in elektrolyten.

Von Grotthuss was net 20, en leven in een regio die geteisterd wordt door politieke onrust, toen hij "Memoires over de ontbinding van water en van de lichamen die het in oplossing houdt door middel van galvanische elektriciteit" in een Frans wetenschappelijk tijdschrift publiceerde.

"In de beroering van zijn tijd en plaats, hij slaagde erin om deze grote ontdekking te doen, Ji zei. "Hij was de eerste die erachter kwam hoe elektrolyt werkt, en hij beschreef wat nu bekend staat als het Grotthuss-mechanisme:proton overgedragen door coöperatieve splitsing en vorming van waterstofbruggen en OH-covalente bindingen binnen het waterstofbindende netwerk van watermoleculen."

Hier is hoe het werkt:elektrische lading wordt geleid wanneer een waterstofatoom dat twee watermoleculen overbrugt "zijn loyaliteit overschakelt" van het ene molecuul naar het andere, legt Wu uit.

"De schakelaar zet een van de waterstofatomen uiteen die covalent was gebonden in het tweede molecuul, waardoor een keten van vergelijkbare verplaatsingen door het waterstofbindingsnetwerk ontstaat, " zei hij. "De beweging is als de wieg van een Newton:gecorreleerde lokale verplaatsingen leiden tot het transport van protonen over lange afstand, wat heel anders is dan de geleiding van metaalionen in vloeibare elektrolyten, waar gesolvateerde ionen lange afstanden individueel diffunderen op de manier van het voertuig."

Ji toegevoegd:"De coöperatieve trillingen van waterstofbinding en waterstof-zuurstof covalente bindingen geven praktisch een proton af van het ene uiteinde van een keten van watermoleculen naar het andere uiteinde zonder massaoverdracht in de waterketen."

De moleculaire estafetteloop is de essentie van een fantastisch efficiënte ladingsleiding, hij zei.

"Dat is het mooie ervan, Ji zei. "Als dit mechanisme is geïnstalleerd in batterij-elektroden, het proton hoeft niet door nauwe openingen in kristalstructuren te persen. Als we materialen ontwerpen met als doel dit soort geleiding te vergemakkelijken, deze leiding is zo klaar - we hebben deze magische protonensnelweg ingebouwd als onderdeel van het rooster."

In hun experiment hebben Ji, Wu en hun medewerkers onthulden de extreem hoge vermogensprestaties van een elektrode van een Pruisische blauwe analoog, Turnbull's blue - bekend bij de verfindustrie. Het unieke aaneengesloten roosterwaternetwerk in het rooster van de elektrode demonstreert de "grootsheid" die wordt beloofd door het Grotthuss-mechanisme.

"Computationele wetenschappers hebben enorme vooruitgang geboekt bij het begrijpen hoe protonhoppen echt in water plaatsvindt, Ji zei. "Maar de theorie van Grotthuss is nooit onderzocht om energieopslag in detail te gebruiken, vooral in een goed gedefinieerde redoxreactie, die het doel had om de impact van deze theorie te materialiseren."

Hoewel ze erg enthousiast waren over hun bevindingen, Ji waarschuwt dat er nog werk aan de winkel is om ultrasnelle lading en ontlading te bereiken in batterijen die praktisch zijn voor transport of energieopslag op het elektriciteitsnet.

"Zonder de juiste technologie met onderzoek door materiaalwetenschappers en elektrotechnici, dit is allemaal puur theoretisch, ' zei hij. 'Kun je een batterijchemie in minder dan een seconde opladen of ontladen? We hebben het theoretisch aangetoond, maar om het te realiseren in consumentenapparaten, het kan een zeer lange technische reis zijn. Op dit moment richt de batterijgemeenschap zich op lithium, natrium, en andere metaalionen, maar protonen zijn waarschijnlijk de meest intrigerende ladingsdragers met een enorm onbekend potentieel om te realiseren."