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El transporte ‘carretera’ de Proton puede pavimentar manera de mejorar las baterías de alta potencia
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Los investigadores han encontrado que un mecanismo químico primero describió hace más de dos siglos llevan a cabo el potencial para revolucionar el almacenamiento de energía para los usos de alta potencia como los vehículos o las rejillas eléctricas.
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El equipo de investigación llevado por Xiulei (David) Ji de la universidad de OSU de la ciencia, junto con colaboradores en el laboratorio nacional de Argonne, la orilla de la Universidad de California, y el roble Ridge National Laboratory, es el primer para demostrar que la difusión puede no ser necesaria transportar cargas iónicas dentro de una estructura de estado sólido hidratada de un electrodo de la batería.
“Este descubrimiento potencialmente desplazará el paradigma entero del almacenamiento de energía electroquímico de alta potencia con los nuevos principios de diseño para los electrodos,” dijo a Xianyong Wu, escolar postdoctoral en OSU y el primer autor del artículo.
Los hallazgos fueron publicados hoy en energía de la naturaleza.
“Subiendo con los electrodos de Faradaic que permiten la densidad de la energía de la batería y el poder del condensador con vida de ciclo excelente ha sido un gran reto,” dijo a Ji, profesor adjunto de la química. “Hasta ahora, la mayor parte de la atención se ha dedicado a los iones del metal -- empezando por el litio y la mirada abajo de la tabla periódica.”
El equipo colaborativo, sin embargo, miraba para arriba -- al solo protón del hidrógeno -- y también miraban detrás a tiempo, a Theodor von Grotthuss, a un químico lituano Alemán-nacido que encerró en 1806 la teoría en transporte de la carga en electrólitos.
Von Grotthuss era apenas 20, y vida en una región sitiada con la agitación política, cuando él publicó la “memoria en la descomposición del agua y de los cuerpos que sostiene en la solución mediante electricidad galvánica” en un diario científico francés.
“En la agitación de su tiempo y lugar, él manejó hacer este descubrimiento grande,” Ji dijo. “Él era el más temprano para imaginar cómo el electrólito trabaja, y él describió qué ahora se conoce como el mecanismo de Grotthuss: protón transferido por hendidura y la formación cooperativas de enlaces de hidrógeno y enlaces covalentes del O-H dentro de la red de la hidrógeno-vinculación de las moléculas de agua.”
Aquí es cómo trabaja: Se conduce la carga eléctrica cuando un átomo de hidrógeno que tiende un puente sobre dos moléculas de agua “cambia su lealtad” a partir de una molécula a la otra, Wu explica.
“Los retrocesos del interruptor desunieron uno de los átomos de hidrógeno que covalente fue enlazado en la segunda molécula, accionando una cadena de dislocaciones similares en la red de la hidrógeno-vinculación,” él dijo. “El movimiento es como la cuna de un Newton: Ventaja local correlacionada de las dislocaciones al transporte de largo alcance de protones, que es muy diferente de la conducción del metal-ion en los electrólitos líquidos, donde los iones solvatados difunden distancias largas individualmente de la manera de vehículos.”
Ji añadido: “Las vibraciones cooperativas de la mano de la vinculación de hidrógeno y de los enlaces covalentes del hidrógeno-oxígeno virtualmente de un protón a partir de un extremo de una cadena de las moléculas de agua al otro extremo sin transferencia total dentro de la cadena del agua.”
La raza de retransmisión molecular es la esencia de un conducto fantástico eficiente de la carga, él dijo.
“Que es la belleza de ella,” Ji dijo. “Si este mecanismo está instalado en electrodos de la batería, el protón no tiene que exprimir a través de los orificios estrechos en las estructuras cristalinas. Si diseñamos los materiales con el propósito de la facilitación de esta clase de conducción, este conducto está tan listo -- tenemos esta carretera mágica del protón incorporada como parte del enrejado.”
En su experimento, Ji, Wu y sus colaboradores revelaron extremadamente el funcionamiento del poder más elevado de un electrodo de un análogo azul prusiano, el azul de Turnbull -- sabido por la industria del tinte. La red contigua única del agua del enrejado dentro del enrejado del electrodo demuestra la “grandeza” prometida por el mecanismo de Grotthuss.
Los “científicos de cómputo han hecho enorme progreso en cómo el protón que salta ocurre realmente en agua,” Ji de comprensión dijeron. “Solamente la teoría de Grotthuss nunca fue explorada para servir almacenamiento de energía detalladamente, particularmente en una reacción redox bien definida, que tenía el objetivo para materializar el impacto de esta teoría.”
Mientras que muy es emocionado sobre sus hallazgos, Ji advierte que todavía hay trabajo que se hará para lograr la carga y la descarga ultrarrápidas en las baterías que son prácticas para el transporte o el almacenamiento de energía de la rejilla.
“Sin la tecnología apropiada la participación de la investigación de los científicos y de los ingenieros eléctricos, éste de los materiales es toda puramente teórica,” él dijo. ¿“Puede usted tener una carga o una descarga sub-segunda de una química de la batería? La demostramos teóricamente, pero realizarla en dispositivos del consumidor, podría ser un viaje que dirigía muy largo. Ahora la comunidad de la batería se centra en el litio, el sodio, y otros iones del metal, pero los protones son probablemente las ondas portadoras más intrigantes con potenciales desconocidos extensos para realizar.”
El National Science Foundation y el Ministerio de los E.E.U.U. de Energía apoyaron esta investigación.