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Proton-Transport ‚Landstraße‘ ebnet möglicherweise Weise, starke Batterien zu verbessern

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Vor Forscher haben, dass ein chemischer Mechanismus zuerst mehr beschrieb als, zwei Jahrhunderten hält das Potenzial, Energiespeicher für starke Anwendungen wie Fahrzeuge oder elektrische Gitter zu revolutionieren gefunden.

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Das Forschungsteam, das durch Xiulei (David) geführt wird Ji Colleges OSUS der Wissenschaft, zusammen mit Mitarbeitern am Argonne-nationalen Laboratorium, der University of California-Flussufer und die Eiche Ridge National Laboratory, sind das erste, zu zeigen, dass Diffusion möglicherweise nicht notwendig ist, um Ionenvorwürfe innerhalb einer hydratisierten Festkörperstruktur einer Körperverletzungselektrode zu transportieren.

„Diese Entdeckung möglicherweise verschiebt das ganze Paradigma des starken elektrochemischen Energiespeichers mit neuen Gestaltungsprinzipien für Elektroden,“ sagte Xianyong Wu, ein Habilitationsgelehrter an OSU und den ersten Autor vom Artikel.

Ergebnisse wurden heute in der Natur-Energie veröffentlicht.

„Finden Faradaic-Elektroden, die Energiedichte der Batterie sich leisten und die Energie des Kondensators mit ausgezeichnetem Zyklusleben eine große Herausforderung gewesen ist,“ sagte Ji, außerordentlichen Professor von Chemie. „Bis jetzt, ist die meisten der Aufmerksamkeit gewidmet worden, um Ionen zu asphaltieren -- beginnend mit Lithium und dem Schauen hinunter das Periodensystem.“

Das kooperative Team schaute jedoch oben -- zum einzelnen Proton des Wasserstoffs -- und sie schauten auch zurück in der Zeit, zu Theodor von Grotthuss, ein Deutsch-geborener litauischer Chemiker, der im Jahre 1806 die Theorie auf Ladungstransport in den Elektrolyten einsperrte.

Von Grotthuss war gerade 20 und Leben in einer Region, die mit politischer Umwälzung belagert wurde, als er „Abhandlung auf der Aufspaltung des Wassers und der Körper veröffentlichte, die sie in gelöster Form mittels des galvanischen Stroms“ in einer französischen wissenschaftlichen Zeitschrift hält.

„Im Tumult seiner Zeit und Platzes, erreichte er, diese große Entdeckung zu machen,“ sagte Ji. „Er war, zum herauszufinden das früheste, wie Elektrolyt arbeitet, und er beschrieb, was jetzt als der Grotthuss-Mechanismus bekannt: Proton übertragen durch kooperative Spaltung und Bildung von Wasserstoffbindungen und kovalente Bindungen OH- innerhalb des Wasserstoffabbindennetzes von Wassermolekülen.“

Ist hier, wie es funktioniert: Elektrische Ladung wird, wenn ein Wasserstoffatom, das zwei Wassermoleküle „überbrückt, seine Ergebenheit“ von einem Molekül zum anderen schaltet, Wu erklärt geleitet.

„Die Schaltertritte zerlegten eins der Wasserstoffatome, das kovalent im zweiten Molekül verpfändet wurde und lösten eine Kette von ähnlichen Verschiebungen während des Wasserstoffabbindennetzes aus,“ sagte er. „Die Bewegung ist wie eines Newtons Wiege: Aufeinander bezogene lokale Verschiebungsführung zum Ferntransport von Protonen, der zu Metallionenleitung in den flüssigen Elektrolyten sehr unterschiedlich ist, in denen solvated Ionen zerstreuen lange Abstände einzeln in die Fahrzeugart.“

Addiertes Ji: „Die kooperativen Erschütterungen der Hand des Wasserstoffabbindens und der kovalenter Bindungen des Wasserstoffsauerstoffes praktisch weg von einem Proton von einem Ende einer Kette der Wassermoleküle zum anderen Ende ohne Stoffübergang innerhalb der Wasserkette.“

Der molekulare Staffellauf ist das Wesentliche eines fantastisch leistungsfähigen Gebührenrohres, sagte er.

„Das die Schönheit von ihr ist,“ sagte Ji. „Wenn dieser Mechanismus in Batterieelektroden installiert ist, muss das Proton nicht durch schmale Öffnungen in den Kristallstrukturen zusammendrücken. Wenn wir Materialien mit dem Zweck der Erleichterung dieser Art der Leitung entwerfen, ist dieses Rohr so bereit -- wir haben diese magische Protonlandstraße, die eingebaut wird als Teil des Gitters.“

In ihrem Experiment deckten Ji, Wu und ihre Mitarbeiter die extrem Leistung der hohen Leistung einer Elektrode einer Entsprechung des Berliner Blaus, Turnbulls Blau auf -- gewusst durch die Färbungsindustrie. Das einzigartige angrenzende Gitterwassernetz innerhalb des Gitters der Elektrode zeigt die „Herrlichkeit“, die durch den Grotthuss-Mechanismus versprochen wird.

„Computerwissenschaftler haben ungeheuren Fortschritt auf Verständnis, wie das Proton, das hüpft wirklich, im Wasser auftritt,“ Ji sagten gemacht. „Aber Grotthuss Theorie wurde nie erforscht, um Energiespeicher, besonders in einer gut definierten Redoxreaktion im Detail zu nützen, die das Ziel hatte, zum der Auswirkung dieser Theorie zu verwirklichen.“

Wenn sehr aufgeregt über ihre Ergebnisse, Ji, warnt, dass es noch, um gibt ultraschnellen Vorwurf und Entladung die getan zu werden Arbeit, in den Körperverletzungen zu erreichen, die für Transport oder Gitterenergiespeicher praktisch sind.

„Ohne die richtige Technologie, theoretisches alles Forschung durch Materialwissenschaftler und Elektroingenieure, dieser ist mit einzubeziehen lediglich,“ sagte er. „Können Sie einen unter-zweiten Vorwurf oder eine Entladung einer Körperverletzungschemie haben? Wir demonstrierten sie theoretisch, aber, sie in den Verbrauchergeräten zu verwirklichen, könnte es eine sehr lange Technikreise sein. Im Augenblick konzentriert sich die Körperverletzungsgemeinschaft auf Lithium, Natrium und andere Metallionen, aber Protone sind- vermutlich die faszinierendsten Ladungsträger mit beträchtlichen unbekannten Potenzialen zu verwirklichen.“

Die National Science Foundation und das US-Energieministerium stützten diese Forschung.