Protoneista akkujen varausten siirtäjä?

Oregonin valtionyliopiston tutkijat ovat havainneet, että kemiallisella mekanismilla, jota on kuvattu ensimmäisen kerran yli kaksi vuosisataa sitten, on potentiaalia mullistaa energian varastointi suuritehoisille sovelluksille, kuten ajoneuvoille tai sähköverkoille.

Tutkimusryhmä, jota johtaa Xiulei (David) Ji yhdessä Argonne National Laboratoryn, Kalifornian Riversiden yliopiston, ja Oak Ridgen kansallisen laboratorion kumppaneiden kanssa osoittavat, että diffuusio ei välttämättä ole tarpeen kuljettamaan ionisia varauksia akkuelektrodin hydratoituun rakenteeseen.

”Tämä löytö saattaa siirtää koko suuritehoisen sähkökemiallisen energian varastoinnin paradigman uusiin elektrodien suunnitteluperiaatteisiin”, sanoo tutkijatohtori ja artikkelin ensimmäinen tekijä Xianyong Wu.

Nykyään akkutekniikan suurin osa huomio liittyy metalli-ioneihin. Yhteistyöryhmä tutki kuitenkin yhtä vedyn protonia. He tutkivat myös vuoden 1806 kemisti Theodor von Grotthussin teoriaa varaussiirrosta elektrolyyteissä.

Grotthuss-mekanismissa sähköinen varaus siirtyy, kun vetyatomi silloittaa kaksi vesimolekyyliä ja vaihtaa yhdestä molekyylistä toiseen. Tämä laukaisee samanlaisten siirtymien ketjun koko hilan vetysidosten verkossa.

Nämä korreloidut paikalliset siirtymät johtavat protonien kaukokuljetukseen, joka on hyvin erilainen kuin metalli-ionien johtuminen nestemäisissä elektrolyyteissä, joissa solvatoituneet ionit diffundoituvat pitkiä etäisyyksiä yksittäin kulkuneuvon tavoin. Tavallaan protoni siirtyy vesimolekyylien ketjun toisesta päästä toiseen päähän ilman massansiirtoa vesiketjun sisällä.

Kyseessä olisi tehokas varauksen siirto protonien avulla, joiden ei tarvitse ionien tapaan vääntäytyä kiderakenteen kapeiden aukkojen läpi.

Tutkimuksessaan tutkijat osoittivat, että hydratoidussa Preussin sinisen analogissa (Turnbullin sininen) runsaat hilavesimolekyylit vetysidosten verkostossa helpottavat Grotthuss-protonijohtavuutta redoksireaktioiden aikana.

Käyttäen sitä kuin akun elektrodina, tutkijat havaitsivat suuren nopeuden käyttäytymistä 4 000 C (380 A g−1, 508 mA cm-2) ja pitkää syklistä elinikää 0,73 miljoonaa jaksoa.

Nämä tulokset protonien diffuusiovapaasta Grotthuss-topokemiasta, toisin kuin ortodoksinen akun sähkökemia, joka vaatii ionidiffuusion elektrodien sisällä, osoittavat potentiaalisen suunnan, jolla mullistaa sähkökemiallinen energian varastointi suuritehoisille sovelluksille.

Vaikka tutkijat ovat innoissaan havainnoistaan, Ji varoittaa, että on vielä tehtävää, jotta saavutettaisiin ultranopea lataus ja purku akuissa, jotka ovat käytännöllisiä kulkuneuvojen tai verkkojen energian varastointiin.

”Ilman asianmukaista teknologiaa, johon liittyy tutkijoiden ja sähköinsinöörien tutkimusta, tämä kaikki on puhtaasti teoreettista”, hän sanoi.

Aiheesta aiemmin:

Uusia akkutekniikoita paikalliskäyttöön