在追求儲能更多、成本更低的電池的過程中，許多研究人員正在使用奇異材料和化學物質（包括鋰空氣、液態金屬和熔鹽）追逐日益減少的效能回報。
問題之一是，科學家們仍在努力研究電池背後的基本物理原理，並且發現，在某些情況下，他們的研究方向完全錯誤。
上週，在《自然·通訊》雜誌上，研究人員概述了對電池中某些型別電極內能量如何移動的新理解，推翻了統治了 80 多年的傳統觀點。
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直到最近，研究人員還在使用 Butler-Volmer 方程來類比電子在陰極和陽極中的移動方式，該方程描述了電流如何響應電勢。化學家馬克斯·沃爾默在 1930 年描述了這種關係，他以化學家約翰·阿爾弗雷德·瓦倫丁·巴特勒基於經驗測量的工作為基礎。
當時左右的實驗證實了這些結果，但隨著研究人員設計出新型電池並開發出更好的測試儀器，該模型開始失效。
2000 篇論文都錯過的故障？
麻省理工學院博士後研究員兼合著者彭拜表示，當他偶然看到一項關於磷酸鐵鋰電池的日本實驗時，這個想法引起了他的興趣。“傳統的 Butler-Volmer 方程不符合[這些]資料，”他說。
令人驚訝的是，鑑於磷酸鐵鋰的普遍性，科學家們並沒有完全理解它的行為。“它被廣泛用於商業電池，”白說。“這種材料已被 2000 多篇論文研究過。”
許多過去的研究假設磷酸鐵鋰電池的效能取決於鋰離子在液態電解質和固態電極之間移動的速度。白和他的導師、麻省理工學院化學工程教授馬丁·巴贊特用一個使用碳塗層多孔電極的電池對此進行了測試。
透過分析其效能，研究人員發現 Butler-Volmer 方程與結果不太吻合，但另一個模型 Marcus-Hush-Chidsey 理論與能量輸出相符。該理論控制著電子在原子水平上的移動方式。在這種情況下，這意味著電子在多孔電極及其碳塗層之間移動的速度是電池效能的主要限制因素。相比之下，鋰離子的移動速度太快，無法在電池效能中發揮主要作用。
這兩種模型尤其在電池效能的邊緣表現出差異。“區別真的在高電壓範圍內，”白說。“在我的論文中，差異在電壓大於 100 毫伏時開始顯現。”
通往更好電池的道路
因此，研究人員將不得不在他們的電池模型中包含電子轉移速率，否則實際效能將與模擬結果不符。這些發現還為最佳化電池效能開闢了新途徑，例如使用奈米顆粒結構。
加州理工學院化學教授魯道夫·馬庫斯沒有參與這項研究，他將該報告描述為“向前邁進了一大步，特別是對於奈米技術而言”。
馬庫斯關於電子轉移反應的研究為他贏得了 1992 年諾貝爾化學獎，這構成了白的研究中概述的機制的基礎。馬庫斯認為，更好地理解基本原理有一天可能會釋放電池的重大效能提升。這將使一系列清潔技術成為可能，從用於平滑風力渦輪機和太陽能電池板的電力波動的電網電池，到零排放汽車。
現在的方法是檢查電池執行的每一步。“當涉及到各個步驟、各個過程的細節時，總有改進的空間，”馬庫斯說。
經 Environment & Energy Publishing, LLC 許可，轉載自 Climatewire。www.eenews.net，202-628-6500