Литий-ионные батареи, топливные элементы и многие другие устройства зависят от высокой подвижности ионов для правильной работы. Но существует большое количество препятствий для такой мобильности. Исследовательская группа под руководством Дженнифер Л. М. Рупп из Мюнхенского технического университета (TUM) и Гарри Л. Таллера из Массачусетского технологического института (MIT) впервые показала, что свет можно использовать для увеличения подвижности ионов и улучшить работу таких устройств.

Заряд может переноситься материалом различными способами. Наиболее известна электропроводность металлов, где заряд переносится электронами. Однако во многих устройствах заряд переносят ионы. Одним из примеров являются литий-ионные аккумуляторы, в которых ионы лития перемещаются во время зарядки и разрядки. Точно так же топливные элементы полагаются на транспорт ионов водорода и кислорода для проведения электричества.

Керамика в настоящее время исследуется как твердый электролит для транспорта ионов кислорода. Но: «Мы обнаруживаем, что ионная проводимость — скорость, с которой могут двигаться ионы, и, следовательно, насколько эффективным может быть получающееся в результате устройство — часто заметно ухудшается из-за того, что ионы блокируются на границах зерен», — говорит он. Профессор Гарри Л. Таллер из Массачусетского технологического института.

Свет заставляет ионы двигаться

В своей текущей публикации Таллер и его коллега Дженнифер Л. М. Рупп, профессор химии твердотельных электролитов Мюнхенского технического университета, показывают, как можно использовать свет для уменьшения барьеров, с которыми сталкиваются ионы на границах керамических зерен.

Многие устройства, основанные на ионной проводимости, такие как твердооксидные топливные элементы, должны работать при очень высоких температурах, чтобы ионы могли преодолевать зернограничные барьеры. Тем не менее, рабочие температуры до 700° по Цельсию создают свои проблемы: материалы стареют быстрее, а инфраструктура для поддержания таких высоких температур является дорогостоящей.

«Наша мечта состояла в том, чтобы увидеть, сможем ли мы преодолеть барьеры, используя что-то, что не требует тепла. Можем ли мы получить такую ​​же проводимость с помощью другого инструмента?» говорит ведущий автор и доктор философии. студент Томас Дефферриер. Этот инструмент оказался легким, который никогда ранее не исследовался в этом контексте.

Более высокий уровень эффективности преобразования и хранения энергии

«Наше исследование показывает, что освещение керамических материалов для топливных элементов и, возможно, для аккумуляторов в будущем может значительно увеличить подвижность ионов», — говорит Рупп. «В оксиде церия, легированном гадолинием, керамике, используемой в качестве твердотельного электролита в топливных элементах, освещение увеличило проводимость на границах зерен в 3,5 раза».

Этот недавно открытый «опто-ионный эффект» может найти широкое применение в будущем. Например, это может улучшить характеристики твердотельных электролитов в литий-ионных батареях завтрашнего дня и, таким образом, способствовать более высокой скорости зарядки или может проложить путь к разработке новых электрохимических технологий хранения и преобразования, которые работают при более низких температурах и обеспечивают более высокую эффективность. уровни.

Свет также можно точно сфокусировать, что позволяет пространственно контролировать поток ионов в точно определенных точках или переключать проводимость в керамических материалах.

Исследование опубликовано в Nature Materials.