Исследование нашло, что уравнение Butler-Volmer (BV), обычно используемое, чтобы описать темпы реакции в электродах, неточно, особенно на более высоких уровнях напряжения. Вместо этого другой подход, названный теорией передачи обвинения Маркуса-Хуш-Чидси, обеспечивает более реалистические результаты – показывающий, что ограничивающий шаг этих реакций не то, о чем думали.
Новые результаты могли помочь инженерам проектировать лучшие электроды, чтобы улучшить темпы батарей зарядки и освобождения, и обеспечить лучшее понимание других электрохимических процессов, такой как, как управлять коррозией. Работа описана на этой неделе в журнале Nature Communications MIT postdoc Пэн Бай и преподаватель химического машиностроения и математики Мартин Бэзэнт.Предыдущая работа была основана на предположении, что работа электродов, сделанных из литиевого железного фосфата – широко используемый в литий-ионных аккумуляторах – была ограничена, прежде всего, тем, как быстрые литиевые ионы распространятся в твердый электрод от жидкого электролита.
Но новый анализ показывает, что критический интерфейс на самом деле между двумя твердыми материалами: сам электрод и углеродное покрытие раньше улучшали его работу.Ограниченный передачей электронаБай и анализ Бэзэнта показывают, что и транспортные шаги в теле и жидкость – миграция иона в электролите и распространение «квазичастиц», названных поляронами – очень быстры, и поэтому не ограничивают работу батареи. «Мы показываем, что это – на самом деле электроны, не ионы, переходя в твердо-твердом интерфейсе», говорит Бай, которые определяют уровень.Бэзэнт говорит, что исследователи не подозревали, несмотря на обширное исследование в области литиевого железного фосфата, что электрохимические реакции материала могли бы быть ограничены передачей электрона между двумя твердыми частицами. «Это – абсолютно новая картина для этого материала; это не что-то, что было даже упомянуто прежде», говорит он.
В то время как покрытие, поверхность электрода с тонким слоем углерода или графена, как показывали, улучшила работу, не было никакого микроскопического и количественного понимания того, почему это имело значение, говорит Бэзэнт. Новые результаты помогут объяснить много по-видимому противоречивых результатов в научной литературе, говорит он.Неожиданно низкие темпы реакцииНапример, классические уравнения, используемые, чтобы предсказать исполнение таких материалов, указали, что логарифм темпа реакции должен измениться линейно, поскольку напряжение увеличено – но эксперименты показали нелинейный ответ с поглощением лития, выравнивающегося в высоком напряжении.
Несоответствия были значительными, Бэзэнт говорит: «Мы находим, что темп реакции намного ниже, чем, что предсказано».Новый анализ означает, что, чтобы сделать дальнейшее совершенствование этой технологии, центр должен идти, «как Вы проектируете поверхность» в твердо-твердом интерфейсе, говорит Бай.Бэзэнт добавляет, что новое понимание могло иметь последствия далеко вне дизайна электрода, начиная с фундаментальных процессов, раскрытые команды обращаются к электрохимическим процессам включая гальванотехнику, коррозии и топливным элементам. «Это также важно для фундаментальной науки», говорит он, так как процесс и повсеместен и плохо понят.
Уравнение BV чисто эмпирическое, и «ничего не говорит Вам о том, что продолжается тщательно», говорит Бэзэнт. В отличие от этого, уравнения Маркуса-Хуш-Чидси – за который Рудольф Маркус из Калифорнийского технологического института был награжден Нобелевской премией по химии 1992 года – основаны на точном понимании деятельности атомного уровня. Так новый анализ, Бэзэнт поддерживает, мог привести не только к новым практическим решениям, но также и к более глубокому пониманию основных механизмов.
Кристофер Чидси, адъюнкт-профессор химии в Стэнфордском университете, который не был вовлечен в эту работу, говорит, что исследование «, кажется, и теоретически обоснованное и экспериментально творческое». Он говорит определение, что эти темпы реакции «и довольно фундаментальны и непосредственного практического интереса к мощным заявлениям как батареи тяги для автомобилей, грузовиков и автобусов».