Licht könnte die Leistung von Brennstoffzellen, Lithiumbatterien und anderen Geräten steigern

Ingenieure des MIT und welcher Universität Kyushu in Land der aufgehenden Sonne nach sich ziehen erstmals gezeigt, wie Licht verwendet werden kann, um die Leistung von Brennstoffzellen, Lithiumbatterien und anderen Geräten, die aufwärts welcher Regung geladener Atome oder Ionen basieren, erheblich zu verbessern.

Ladung kann aufwärts verschiedene Weise durch ein Werkstoff transportiert werden. Wir sind am günstigsten mit welcher Ladung vertraut, die von den Elektronen getragen wird, die beim Oberbau eines Atoms helfen. Licht wird seither langem verwendet, um Elektronen anzuregen, um sie leitfähiger zu zeugen. Häufige Anwendungen sind Solarzellen und sogar Supermarkttüren, die sich unwillkürlich öffnen, wenn ein Nachrichten durchgeht. Letztere verlassen sich aufwärts Sensoren in welcher Tür, die durch die vom Kunden natürlich abgegebene Infrarotstrahlung – Licht – aktiviert werden.

„Dagegen es gibt viele Geräte, die von welcher Regung welcher Ionen selbst separieren und nicht nur von ihren Elektronen“, sagt Harry L. Tuller, RP Simmons-Professor pro Tonware und elektronische Materialien am Department of Materials Science and Engineering (DMSE) des MIT. . Beispiele hierfür sind Lithiumbatterien, die während des Ladens und Entladens welcher Batterie aufwärts die Regung von Lithiumionen angewiesen sind. In ähnlicher Weise sind Brennstoffzellen aufwärts die Regung von Wasserstoff- und Sauerstoffionen angewiesen, um Strom zu erzeugen.

Tuller leitete welche Studie verbinden mit Jennifer LM Rupp, einer außerordentlichen Gastprofessorin pro Materialwissenschaft und -technik am MIT, die nachrangig außerordentliche Professorin pro Festkörperelektrolytchemie an welcher Technischen Universität München in Deutschland ist.

Dasjenige Problem
„Hier kommt daher welcher Pferdefuß“, sagt Tuller, welcher (zusammen mit Rupp) nachrangig mit dem Materials Research Laboratory des MIT und dem International Institute for Carbon-Parteilos Energy Research (I2CNER) an welcher Kyushu University verbunden ist.

Die Materialien hinter Anwendungen, die aufwärts welcher Regung von Ionen basieren, sogenannten Festelektrolyten, sind Keramiken. Tonware wiederum besteht aus winzigen Kristallitkörnern, die verdichtet und für hohen Temperaturen gebrannt werden, um eine dichte Struktur zu zusammenfügen. Dasjenige Problem besteht darin, dass Ionen, die durch dies Werkstoff wandern, oft an den Säumen zwischen den Körnern gehandikapt werden.

„Welches wir feststellen, ist, dass die Ionenleitfähigkeit – die Leistungsfähigkeit, mit welcher sich die Ionen in Bewegung setzen können und von dort wie effizient dies resultierende Gerät sein kann – oft spürbar durch die Tatsache verschlechtert wird, dass die Ionen an diesen Korngrenzen verspannt werden“, sagt Tuller .

Die Lösungskonzept
In welcher neuen Arbeit, weiterführend die in welcher Verteilung von Nature Materials vom 13. Januar berichtet wurde, zeigen die Ingenieure, wie Licht verwendet werden kann, um die Hindernis zu senken, aufwärts die Ionen an Korngrenzen treffen. „Wir senken die Barrierenhöhe mit Licht und können so den Strang welcher Ionen um den Merkmal drei verbessern“, sagt Tuller. „Wir umziehen davon aus, dass wir dies durch Optimierung des Systems aufwärts Größenordnungen steigern können.“

Wie DMSE-Student Thomas Defferriere erklärt: „Stellen Sie sich die Hindernis wie eine tiefe Schlucht zwischen zwei Zurück holen vor. Eine Person, die versucht, von einem Höhe zum anderen zu gelangen, würde sich einer schwierigen Wanderung gegenübersehen. Stellen Sie sich jedoch vor, dass sich die Schlucht mit Wasser füllt. Plötzlich Es ist viel einfacher, die Reise zu zeugen. Welcher Wanderfreund kann trivial ein Schiff nehmen oder schwimmen.“

Die Forscher demonstrierten insbesondere die Wirkung von Licht aufwärts die Regung von Sauerstoffionen durch verschmelzen beliebten Festelektrolyten aus Ceroxid und Gadolinium. „Unsrige Ergebnisse“, sagt Defferriere, „werden voraussichtlich nachrangig aufwärts andere Keramiksysteme angewendet, die andere Elemente leiten.“

William Chueh, außerordentlicher Professor pro Materialwissenschaft und -technik an welcher Stanford University, welcher nicht an welcher Studie zu Nature Materials beteiligt war, sagt: „Während die Regung von Elektronen unter Lichteinstrahlung im Detail untersucht wird, wird welcher Regung von Ionen erst jetzt Hinsicht geschenkt Die Arbeit von Tuller und Kollegen zeigt, dass Leuchtmaterialien pro Brennstoffzellen, Elektrolyseure und Batterien den Nadelöhr für welcher Ionenbewegung erheblich verringern können.Sie faszinierende Feststellung eröffnet die verlockende Möglichkeit, Licht zur Verbesserung von Energiespeicher- und -umwandlungsgeräten zu verwenden, die normalerweise in die Dunkelheit.“

Sossina Haile, die Walter-P.-Murphy-Professorin pro Materialwissenschaften und -technik an welcher Northwestern University, die nicht an welcher aktuellen Arbeit beteiligt war, fügt hinzu: „Es ist ein sehr aufregendes Ergebnis. Es deutet sogar darauf hin, dass Licht wie Schalter zum Kreisen welcher Ionenbewegung verwendet werden könnte an und aus. Wenn dies stimmt, sind die Möglichkeiten spektakulär.“

Viele Anwendungen
Die Arbeit könnte viele Anwendungen nach sich ziehen. Bspw. könnte es die Leistung von dünnen Elektrolyten pro Lithiumbatterien steigern, während es die Laderaten erhoben. Licht kann nachrangig positiv fokussiert werden, welches eine räumliche Steuerung des Ionenflusses an sehr genau festgelegten Stellen ermöglicht.

Tuller und Defferriere stellen hold, dass wenige Geräte, die aufwärts Ionenleitfähigkeit basieren, wie Festoxid-Brennstoffzellen, für sehr hohen Temperaturen (etwa 700 Klasse Celsius) betrieben werden sollen, damit die Ionen die Korngrenzen besiegen und sich weiterführend sie hinweg in Bewegung setzen können. Und hohe Temperaturen mitbringen wiederum ihre eigenen Probleme mit sich. Bspw. kann sich dies Werkstoff selbst zersetzen, und die Unterbau zur Einstellung an solche Temperaturen ist teuer.

„Unser Traum war es, zu sehen, ob wir die Barrieren mit irgendetwas besiegen können, dies keine Wärme gewünscht. Könnten wir die gleichen Leitfähigkeiten mit einem anderen Werkzeug hinhauen?“ sagt Defferriere. Dieses Werkzeug stellte sich wie Licht hervor, dies in diesem Zusammenhang noch nie zuvor erforscht worden war.

Die Arbeit war sehr interdisziplinär. „Es zwang uns, die Komfortzone unseres traditionellen Fachgebiets, dies Tonware und Elektrochemie umfasst, zu verlassen und in die Halbleiterwelt einzusteigen“, sagt Defferriere. „Dies ist eines dieser Beispiele, für denen wir, wenn wir in unserem eigenen Umfeld geblieben wären, nicht darauf gekommen wären und wir es nicht hätten verdeutlichen können. Es war sehr aufregend.“

Andere Autoren des Papiers sind Saurier Klotz, ein Assistenzprofessor für I2CNER und ein DMSE-Forschungspartner; und Juan Carlos Gonzalez-Rosillo, ein DMSE-Postdoc, jetzt am Catalonia Institute for Energy Research in Spanien. Defferriere und Klotz sind Cobalt-Erstautoren. Defferriere wird verbinden von Rupp und Tuller betreut.

Sie Arbeit wurde vom US Department of Energy, welcher Land der aufgehenden Sonne Society for the Promotion of Science, dem Schweizerischen Nationalfonds, welcher US Nationalistisch Science Foundation und Equinor unterstützt.

Forschungsbericht: „Photoverstärkte Ionenleitfähigkeit weiterführend Korngrenzen hinweg in polykristallinen Keramiken“

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