Forskare vid Oregon State University har funnit att en kemisk mekanism som först beskrevs för mer än två århundraden sedan har potentialen att revolutionera energilagring för högeffektapplikationer som fordon eller elnät.

Forskargruppen ledd av Xiulei (David) Ji från OSU:s College of Science, tillsammans med medarbetare vid Argonne National Laboratory, University of California Riverside, och Oak Ridge National Laboratory, är de första som visar att diffusion kanske inte är nödvändig för att transportera jonladdningar inuti en hydratiserad solid state-struktur hos en batterielektrod.

"Denna upptäckt kommer potentiellt att förändra hela paradigmet för högeffekts elektrokemisk energilagring med nya designprinciper för elektroder, sa Xianyong Wu, en postdoktor vid OSU och artikelns första författare.

Resultaten publicerades idag i Naturenergi .

"Att komma på Faradaic-elektroder som ger batteriets energitäthet och kondensatorkraft med utmärkt livslängd har varit en stor utmaning, sa Ji, docent i kemi. "Än så länge, Större delen av uppmärksamheten har ägnats åt metalljoner – börjat med litium och genom att titta ner i det periodiska systemet."

Samarbetsgruppen, dock, tittade upp – till den enda protonen av väte – och de såg också tillbaka i tiden, till Theodor von Grotthuss, en tyskfödd litauisk kemist som 1806 skrev teorin om laddningstransport i elektrolyter.

Von Grotthuss var bara 20, och bor i en region som är behäftad med politiska omvälvningar, när han publicerade "Memoir om nedbrytningen av vatten och av de kroppar som det håller i lösning med hjälp av galvanisk elektricitet" i en fransk vetenskaplig tidskrift.

"I kaoset i hans tid och plats, han lyckades göra denna stora upptäckt, " Sa Ji. "Han var den tidigaste som kom på hur elektrolyt fungerar, och han beskrev vad som nu är känt som Grotthuss-mekanismen:proton överförd genom kooperativ klyvning och bildning av vätebindningar och OH-kovalenta bindningar inom det vätebindande nätverket av vattenmolekyler."

Så här fungerar det:Elektrisk laddning leds när en väteatom som överbryggar två vattenmolekyler "växlar sin trohet" från en molekyl till den andra, Wu förklarar.

"Omkopplaren sparkar sönder en av väteatomerna som var kovalent bunden i den andra molekylen, utlöser en kedja av liknande förskjutningar genom det vätebindande nätverket, " sa han. "Rörelsen är som en Newtons vagga:Korrelerade lokala förskjutningar leder till långväga transport av protoner, som skiljer sig mycket från metalljonledning i flytande elektrolyter, där solvatiserade joner diffunderar långa sträckor individuellt på fordonsmässigt sätt."

Lade till Ji:"De samverkande vibrationerna av vätebindning och kovalenta väte-syrebindningar överför praktiskt taget en proton från ena änden av en kedja av vattenmolekyler till den andra änden utan massöverföring inuti vattenkedjan."

Det molekylära stafettloppet är kärnan i en fantastiskt effektiv laddningsledning, han sa.

"Det är det fina med det, " sade Ji. "Om den här mekanismen är installerad i batterielektroder, protonen behöver inte klämma sig genom smala öppningar i kristallstrukturer. Om vi ​​designar material med syftet att underlätta denna typ av ledning, den här ledningen är så klar - vi har den här magiska protonmotorvägen inbyggd som en del av gallret."

I deras experiment, Ji, Wu och deras medarbetare avslöjade den extremt höga effektprestandan hos en elektrod av en preussisk blå analog, Turnbull's blue-känd av färgämnesindustrin. Det unika sammanhängande gittervattennätverket inuti elektrodens galler visar den "storhet" som utlovas av Grotthuss-mekanismen.

"Beräkningsforskare har gjort enorma framsteg när det gäller att förstå hur protonhoppningen verkligen sker i vatten, " Sa Ji. "Men Grotthuss teori har aldrig utforskats för att utnyttja energilagring i detalj, särskilt i en väldefinierad redoxreaktion, som hade som syfte att förverkliga effekten av denna teori."

Även om de är mycket exalterade över sina upptäckter, Ji varnar för att det fortfarande finns arbete att göra för att uppnå ultrasnabb laddning och urladdning i batterier som är praktiska för transport eller energilagring i nätet.

"Utan den rätta tekniken som involverar forskning av materialforskare och elektroingenjörer, allt detta är rent teoretiskt, " sa han. "Kan du få en sekunds laddning eller urladdning av en batterikemi? Vi demonstrerade det teoretiskt, men för att inse det i konsumentenheter, det kan bli en mycket lång ingenjörsresa. Just nu fokuserar batterigemenskapen på litium, natrium, och andra metalljoner, men protoner är förmodligen de mest spännande laddningsbärarna med stora okända potentialer att realisera."