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Il trasporto “strada principale” di Proton può aprire la strada a migliorare le batterie ad alta potenza

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I ricercatori hanno trovato che un meccanismo chimico in primo luogo ha descritto più di due secoli fa tiene il potenziale di rivoluzionare l'immagazzinamento dell'energia per le applicazioni ad alta potenza come i veicoli o le griglie elettriche.

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Il gruppo di ricerca principale da Xiulei (David) Ji dell'istituto universitario di OSU di scienza, con i collaboratori al laboratorio nazionale di Argonne, la riva del fiume dell'università di California e la quercia Ridge National Laboratory, è il primo per dimostrare che la diffusione non può essere necessaria da trasportare le spese ioniche dentro una struttura semi conduttrice idratata di un elettrodo della batteria.

«Questa scoperta potenzialmente sposterà l'intero paradigma di immagazzinamento dell'energia elettrochimico ad alta potenza con i nuovi principi di progettazione per gli elettrodi,» ha detto Xianyong Wu, uno studioso postdottorale a OSU ed il primo autore dell'articolo.

I risultati sono stati pubblicati oggi nell'energia della natura.

«Fornendo gli elettrodi di Faradaic che permettono la densità di energia della batteria ed il potere del condensatore con vita di ciclo eccellente è stato una sfida importante,» ha detto Ji, professore associato di chimica. «Finora, la maggior parte dell'attenzione è stata dedicata agli ioni del metallo -- cominciando da litio e dallo sguardo giù la tavola periodica.»

Il gruppo di collaborazione, tuttavia, ha cercato -- al singolo protone di idrogeno -- ed inoltre hanno guardato indietro a tempo, a Theodor von Grotthuss, un chimico lituano Tedesco-nato che nel 1806 ha rinchiuso la teoria sul trasporto della tassa in elettroliti.

Von Grotthuss era appena 20 e vita in una regione principale con la sollevazione politica, quando ha pubblicato «la memoria sulla decomposizione dell'acqua e dei corpi che tiene in soluzione per mezzo di elettricità galvanica» in un giornale scientifico francese.

«Nell'agitazione della sue data e località, è riuscito a fare questa grande scoperta,» Ji ha detto. «Era il più presto per capire come gli impianti dell'elettrolito e lui hanno descritto che cosa ora è conosciuto come il meccanismo di Grotthuss: protone trasferito da fenditura e da formazione cooperative di legami idrogeni e legami covalenti dell'OH all'interno della rete di idrogeno-legame delle molecole di acqua.»

Qui è come funziona: La carica elettrica è condotta quando un atomo di idrogeno che getta un ponte su due molecole di acqua «commuta la sua fedeltà» da una molecola all'altra, Wu spiega.

«Le scosse del commutatore hanno disgiunto uno degli atomi di idrogeno che in covalenza è stato legato nella seconda molecola, avviando una catena di simili spostamenti in tutto la rete di idrogeno-legame,» ha detto. «Il moto è come la culla di un Newton: Cavo locale correlato di spostamenti al trasporto a lungo raggio dei protoni, che è molto differente dalla conduzione dello metallo-ione in elettroliti liquidi, in cui gli ioni solvatati diffondono individualmente le distanze lunghe nel modo veicolare.»

Ji aggiunto: «Le vibrazioni cooperative della mano di legame di idrogeno e dei legami covalenti dell'idrogeno-ossigeno virtualmente fuori da un protone da un'estremità di una catena delle molecole di acqua all'altra estremità senza il trasferimento di massa dentro la catena dell'acqua.»

La corsa di relè molecolare è l'essenza di un condotto fantastico efficiente della tassa, ha detto.

«Che è la bellezza di,» Ji ha detto. «Se questo meccanismo è installato in elettrodi della batteria, il protone non deve schiacciare tramite gli orifizi stretti in sistemi cristallini. Se progettiamo i materiali allo scopo della facilitazione del questo genere di conduzione, questo condotto è così pronto -- abbiamo questa strada principale magica del protone integrata come componente della grata.»

Nel loro esperimento, Ji, Wu ed i loro collaboratori hanno rivelato estremamente la prestazione di alto potere di un elettrodo di un analogo di blu di prussia, il blu di Turnbull -- noto dall'industria della tintura. La rete attigua unica dell'acqua della grata dentro la grata dell'elettrodo dimostra «la grandiosità» promessa dal meccanismo di Grotthuss.

«Gli scienziati di calcolo hanno realizzato i progressi tremendi come il protone che salta realmente si presenta in acqua,» su Ji di comprensione hanno detto. «Ma la teoria di Grotthuss non è stata esplorata mai per servirsi dettagliatamente l'immagazzinamento dell'energia, specialmente in una reazione redox ben definita, che ha avuta lo scopo per attuare l'impatto di questa teoria.»

Mentre molto emozionante circa i loro risultati, Ji avverte che c'è ancora lavoro da fare per raggiungere la tassa e lo scarico ultraveloci in batterie che sono pratiche per trasporto o immagazzinamento dell'energia di griglia.

«Senza la tecnologia adeguata comprendere la ricerca dagli scienziati dei materiali e dagli elettrotecnici, questo è tutta puramente teorica,» ha detto. «Potete avere una sotto-seconda tassa o scarico di una chimica della batteria? La abbiamo dimostrata teoricamente, ma realizzarla in dispositivi del consumatore, potrebbe essere un viaggio d'organizzazione molto lungo. Ora la comunità della batteria mette a fuoco su litio, su sodio e su altri ioni del metallo, ma i protoni sono probabilmente i portatori di carica più intriganti con i vasti potenziali sconosciuti di realizzare.»

Il National Science Foundation ed il Dipartimento per l'energia di Stati Uniti hanno sostenuto questa ricerca.