在電極打造一條「質子高速公路」,可實現高功率電池遠景

作者 | 發布日期 2019 年 01 月 30 日 13:31 | 分類 尖端科技 , 材料、設備 , 零組件 follow us in feedly

為了讓電池既有出色的能量密度、也有不遜色的循環週期壽命,大部分人將注意力集中在鋰離子身上,但俄勒岡州立大學科學家將眼光瞄向質子(也就是氫離子)。兩個世紀前首次出現的質子跳躍化學機制,可能徹底使電動車或電網等應用邁向高功率儲能。



由俄勒岡州立大學化學系副教授 Ji, David Xiulei 領導的團隊,回顧了立陶宛化學家西奧多·格羅特斯(Theodor von Grotthuss)於 1806 年提出的電解質電荷傳輸理論:格羅特斯機制(Grotthuss mechanism),指透過氫鍵的形成,可以讓質子在水溶液中快速轉移,也有人將此機制稱為質子跳躍(proton jumping)。

質子是一種帶正電荷的亞原子粒子,在化學裡,「質子」這術語指的就是氫離子 H+。

研究第一作者 Xianyong Wu 解釋,格羅特斯機制的原理為一個氫原子連接兩個水分子時,電荷會從中移動。Ji, David Xiulei 補充說明,該過程很像牛頓擺(當最右側的球碰撞緊密排列的另外 4 個球時,只有最左側的球會被彈出,反之亦然),而格羅特斯機制描述的就是質子從水分子一端,藉由一條又一條氫鍵與 O-H 共價鍵快速位移到遙遠一方,詳細過程可參考下方動畫。

(Source:俄勒岡州立大學

這與液態電解質中金屬離子的傳導方式相當不同,金屬離子本身就像一台車,在溶劑中獨自從這端游走很長距離到彼端。研究人員發現,如果將這種機制放到電池電極中,則靠著分子接力賽打造出的「質子高速公路」,將成為非常有效率的充電路徑。

該團隊已在實驗中證實,應用格羅特斯機制的電極擁有極高功率性能,但為了使其進入儲能應用,下一步將還需著重在如何實現亞秒級充放電循環,這段工程之旅可能會相當漫長。不過至少研究團隊已透過理論與實驗表明,質子可能會成為最有趣的電荷載體,具有巨大潛力。

新論文發表在《Nature Energy》期刊。

(首圖來源:俄勒岡州立大學

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