MIT发现: 光可以提高燃料电池、锂电池和其他设备的性能

据外媒报道，麻省理工学院（MIT）和日本九州大学（Kyushu University）的研究人员首次证明，光可以用来显著改善燃料电池、锂电池和其他基于带电原子或离子运动的设备的性能。

电荷可以不同的方式通过一种材料，比如大家所熟悉的组成原子的电子所携带的电荷。长期以来，光一直被用来激发电子，使其更具导电性。常见的应用如太阳能电池，甚至包括超市的自动感应门。后者依靠门上的传感器，由顾客发出的红外线辐射光激活。

麻省理工学院材料科学与工程系（DMSE）的Harry L.Tuller教授表示：“有很多设备依赖于离子本身的运动，而不仅仅是其组成电子。”比如，锂电池在充放电过程中依赖于锂离子的运动。同样，燃料电池依靠氢离子和氧离子运动来产生电能。

Tuller与麻省理工学院材料科学与工程系副教授Jennifer LM Rupp共同领导了此项工作。Tuller还隶属于麻省理工学院材料研究实验室和九州大学国际碳中性能源研究所（I2CNER）。Jennifer同时是德国慕尼黑工业大学固态电解质化学系副教授。

问题所在

基于离子运动的应用（称为固体电解质）材料是陶瓷。陶瓷由细小的微晶颗粒组成，这些颗粒在高温下被压实并烧成致密的结构。问题是，当离子穿过材料时，通常会在颗粒之间的边界处受阻。这会降低离子的电导率（即离子移动的速度），以及相关设备的效率。

解决方案

在这项新研究中，研究人员展示了，如何利用光来降低离子在晶界处遇到的势垒。Tuller表示：“研究人员正在利用光降低势垒高度，这样的话，能将离子流动性提高3倍。通过优化系统，希望能够将其提升到一个数量级。

DMSE研究生Thomas Defferriere解释说：“把这个屏障想象成两座山之间的深谷。一个人需要艰苦跋涉，才能从一座山来到另一座山。然而，想象一下，峡谷里充满了水。突然间，一切变得容易多了。旅行者可以乘船或游泳到达对岸。”

研究人员专门演示了，当氧离子通过由二氧化铈和钆构成的常用固体电解质时，光对氧离子运动所产生的影响。据称这些发现也有望应用于其他传导不同元素的陶瓷系统。

斯坦福大学材料科学与工程副教授William Chueh（未参与本项研究）表示：“虽然人们对光照射下电子的运动进行了广泛的研究，但离子运动到现在才受到关注。这项工作表明，用于燃料电池、电解槽和电池的照明材料，可以大大减少离子运动的瓶颈。对于通常在黑暗中运行的储能和转换设备，这一有趣的发现或将开启利用光来提升性能的途径。”

西北大学材料科学与工程系的教授Sossina Haile（未参与本项研究）表示：“这甚至表明，光有可能作为一种开关来开启和关闭离子运动。”

广泛的应用前景

这项工作或将拥有广泛的应用前景。例如，通过提高充电率，提高薄锂电池电解质的性能；通过精细调整光聚焦，也可以在非常精确的指定位置上控制离子流动。

研究人员指出，一些基于离子导电性的设备，如固体氧化物燃料电池，必须在700摄氏度左右的高温下运行，这样离子才能克服并跨越晶界势垒。反过来，高温也会带来相应的问题，例如材料本身会降解，而适应这种温度的基础设施也很昂贵。

研究人员希望，使用不需要热量的东西来克服这些障碍，或是用另一种工具来实现相同的电导率，比如光。这项工作是跨学科的。Defferriere表示：“这迫使研究人员走出陶瓷和电化学领域等传统舒适地带，进入半导体领域。”