Rodovia de transporte de prótons pode abrir caminho para melhores baterias de alta potência
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p Pesquisadores da Oregon State University descobriram que um mecanismo químico descrito pela primeira vez há mais de dois séculos tem o potencial de revolucionar o armazenamento de energia para aplicações de alta potência, como veículos ou redes elétricas. p A equipe de pesquisa liderada por Xiulei (David) Ji da Faculdade de Ciências da OSU, junto com colaboradores do Laboratório Nacional de Argonne, a Universidade da Califórnia em Riverside, e o Oak Ridge National Laboratory, são os primeiros a demonstrar que a difusão pode não ser necessária para transportar cargas iônicas dentro de uma estrutura de estado sólido hidratado de um eletrodo de bateria.
p "Esta descoberta irá potencialmente mudar todo o paradigma do armazenamento de energia eletroquímica de alta potência com novos princípios de design para eletrodos, "disse Xianyong Wu, um pós-doutorado na OSU e o primeiro autor do artigo.
p As descobertas foram publicadas hoje em
Nature Energy .
p "Criar eletrodos Faradaic que proporcionem densidade de energia da bateria e potência do capacitor com excelente ciclo de vida tem sido um grande desafio, "disse Ji, professor associado de química. "Até aqui, a maior parte da atenção foi dedicada aos íons de metal - começando com o lítio e examinando a tabela periódica. "
p A equipe colaborativa, Contudo, olhou para cima - para o único próton de hidrogênio - e eles também olharam para trás no tempo, para Theodor von Grotthuss, um químico lituano nascido na Alemanha que em 1806 escreveu a teoria sobre o transporte de carga em eletrólitos.
p Von Grotthuss tinha apenas 20 anos, e vivendo em uma região assolada por convulsões políticas, quando publicou "Memórias sobre a decomposição da água e dos corpos que ela contém em solução por meio da eletricidade galvânica" em uma revista científica francesa.
p "Na turbulência de seu tempo e lugar, ele conseguiu fazer esta grande descoberta, "Ji disse." Ele foi o primeiro a descobrir como funciona o eletrólito, e ele descreveu o que agora é conhecido como mecanismo de Grotthuss:próton transferido por clivagem cooperativa e formação de ligações de hidrogênio e ligações covalentes O-H dentro da rede de ligações de hidrogênio das moléculas de água. "
p É assim que funciona:a carga elétrica é conduzida quando um átomo de hidrogênio conectando duas moléculas de água "muda sua fidelidade" de uma molécula para a outra, Wu explica.
p "O interruptor desencadeou um dos átomos de hidrogênio que estava covalentemente ligado na segunda molécula, desencadeando uma cadeia de deslocamentos semelhantes ao longo da rede de ligações de hidrogênio, "disse ele." O movimento é como um berço de Newton:deslocamentos locais correlacionados levam ao transporte de prótons de longo alcance, que é muito diferente da condução de íons metálicos em eletrólitos líquidos, onde íons solvatados se difundem por longas distâncias individualmente na maneira veicular. "
p Ji adicionado:"As vibrações cooperativas de ligações de hidrogênio e ligações covalentes de hidrogênio-oxigênio virtualmente transferem um próton de uma extremidade de uma cadeia de moléculas de água para a outra extremidade, sem transferência de massa dentro da cadeia de água."
p A corrida de retransmissão molecular é a essência de um conduíte de carga fantasticamente eficiente, ele disse.
p "Essa é a beleza disso, "Ji disse." Se este mecanismo for instalado nos eletrodos da bateria, o próton não precisa passar por orifícios estreitos nas estruturas cristalinas. Se projetarmos materiais com a finalidade de facilitar esse tipo de condução, este conduíte está tão pronto - nós temos esta rodovia mágica de prótons construída como parte da rede. "
p Em seu experimento, Ji, Wu e seus colaboradores revelaram o desempenho de potência extremamente alta de um eletrodo de um análogo azul da Prússia, Turnbull's blue - conhecido pela indústria de tinturas. A rede única de água contígua dentro da rede do eletrodo demonstra a "grandeza" prometida pelo mecanismo de Grotthuss.
p "Os cientistas da computação fizeram um tremendo progresso na compreensão de como o salto de próton realmente ocorre na água, "Ji disse." Mas a teoria de Grotthuss nunca foi explorada para aproveitar o armazenamento de energia em detalhes, particularmente em uma reação redox bem definida, que teve como objetivo materializar o impacto desta teoria. "
p Embora muito animado com suas descobertas, Ji adverte que ainda há trabalho a ser feito para obter carga e descarga ultrarrápidas em baterias práticas para transporte ou armazenamento de energia na rede.
p "Sem a tecnologia adequada envolvendo pesquisas por cientistas de materiais e engenheiros elétricos, tudo isso é puramente teórico, "ele disse." Você pode ter uma carga de menos de um segundo ou descarga de uma química de bateria? Teoricamente demonstramos isso, mas para realizá-lo em dispositivos de consumo, pode ser uma longa jornada de engenharia. No momento, a comunidade de baterias se concentra no lítio, sódio, e outros íons metálicos, mas os prótons são provavelmente os portadores de carga mais intrigantes, com vastos potenciais desconhecidos para realizar. "