在追求储能更多、成本更低的电池的过程中，许多研究人员正在使用奇异材料和化学物质（包括锂空气、液态金属和熔盐）追逐日益减少的性能回报。
问题之一是，科学家们仍在努力研究电池背后的基本物理原理，并且发现，在某些情况下，他们的研究方向完全错误。
上周，在《自然·通讯》杂志上，研究人员概述了对电池中某些类型电极内能量如何移动的新理解，推翻了统治了 80 多年的传统观点。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您将有助于确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
直到最近，研究人员还在使用 Butler-Volmer 方程来模拟电子在阴极和阳极中的移动方式，该方程描述了电流如何响应电势。化学家马克斯·沃尔默在 1930 年描述了这种关系，他以化学家约翰·阿尔弗雷德·瓦伦丁·巴特勒基于经验测量的工作为基础。
当时左右的实验证实了这些结果，但随着研究人员设计出新型电池并开发出更好的测试仪器，该模型开始失效。
2000 篇论文都错过的故障？
麻省理工学院博士后研究员兼合著者彭拜表示，当他偶然看到一项关于磷酸铁锂电池的日本实验时，这个想法引起了他的兴趣。“传统的 Butler-Volmer 方程不符合[这些]数据，”他说。
令人惊讶的是，鉴于磷酸铁锂的普遍性，科学家们并没有完全理解它的行为。“它被广泛用于商业电池，”白说。“这种材料已被 2000 多篇论文研究过。”
许多过去的研究假设磷酸铁锂电池的性能取决于锂离子在液态电解质和固态电极之间移动的速度。白和他的导师、麻省理工学院化学工程教授马丁·巴赞特用一个使用碳涂层多孔电极的电池对此进行了测试。
通过分析其性能，研究人员发现 Butler-Volmer 方程与结果不太吻合，但另一个模型 Marcus-Hush-Chidsey 理论与能量输出相符。该理论控制着电子在原子水平上的移动方式。在这种情况下，这意味着电子在多孔电极及其碳涂层之间移动的速度是电池性能的主要限制因素。相比之下，锂离子的移动速度太快，无法在电池性能中发挥主要作用。
这两种模型尤其在电池性能的边缘表现出差异。“区别真的在高电压范围内，”白说。“在我的论文中，差异在电压大于 100 毫伏时开始显现。”
通往更好电池的道路
因此，研究人员将不得不在他们的电池模型中包含电子转移速率，否则实际性能将与模拟结果不符。这些发现还为优化电池性能开辟了新途径，例如使用纳米颗粒结构。
加州理工学院化学教授鲁道夫·马库斯没有参与这项研究，他将该报告描述为“向前迈进了一大步，特别是对于纳米技术而言”。
马库斯关于电子转移反应的研究为他赢得了 1992 年诺贝尔化学奖，这构成了白的研究中概述的机制的基础。马库斯认为，更好地理解基本原理有一天可能会释放电池的重大性能提升。这将使一系列清洁技术成为可能，从用于平滑风力涡轮机和太阳能电池板的电力波动的电网电池，到零排放汽车。
现在的方法是检查电池运行的每一步。“当涉及到各个步骤、各个过程的细节时，总有改进的空间，”马库斯说。
经 Environment & Energy Publishing, LLC 许可，转载自 Climatewire。www.eenews.net，202-628-6500