蓋世汽車訊 據(jù)外媒報(bào)道，麻省理工學(xué)院（MIT）和日本九州大學(xué)（Kyushu University）的研究人員首次證明，光可以用來顯著改善燃料電池、鋰電池和其他基于帶電原子或離子運(yùn)動(dòng)的設(shè)備的性能。

（圖片來源：MIT）

電荷可以不同的方式通過一種材料，比如大家所熟悉的組成原子的電子所攜帶的電荷。長(zhǎng)期以來，光一直被用來激發(fā)電子，使其更具導(dǎo)電性。常見的應(yīng)用如太陽(yáng)能電池，甚至包括超市的自動(dòng)感應(yīng)門。后者依靠門上的傳感器，由顧客發(fā)出的紅外線輻射光激活。

麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程系（DMSE）的Harry L.Tuller教授表示：“有很多設(shè)備依賴于離子本身的運(yùn)動(dòng)，而不僅僅是其組成電子。”比如，鋰電池在充放電過程中依賴于鋰離子的運(yùn)動(dòng)。同樣，燃料電池依靠氫離子和氧離子運(yùn)動(dòng)來產(chǎn)生電能。

Tuller與麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程系副教授Jennifer LM Rupp共同領(lǐng)導(dǎo)了此項(xiàng)工作。Tuller還隸屬于麻省理工學(xué)院材料研究實(shí)驗(yàn)室和九州大學(xué)國(guó)際碳中性能源研究所（I2CNER）。Jennifer同時(shí)是德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)固態(tài)電解質(zhì)化學(xué)系副教授。

問題所在

基于離子運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用（稱為固體電解質(zhì)）材料是陶瓷。陶瓷由細(xì)小的微晶顆粒組成，這些顆粒在高溫下被壓實(shí)并燒成致密的結(jié)構(gòu)。問題是，當(dāng)離子穿過材料時(shí)，通常會(huì)在顆粒之間的邊界處受阻。這會(huì)降低離子的電導(dǎo)率（即離子移動(dòng)的速度），以及相關(guān)設(shè)備的效率。

解決方案

在這項(xiàng)新研究中，研究人員展示了，如何利用光來降低離子在晶界處遇到的勢(shì)壘。Tuller表示：“研究人員正在利用光降低勢(shì)壘高度，這樣的話，能將離子流動(dòng)性提高3倍。通過優(yōu)化系統(tǒng)，希望能夠?qū)⑵涮嵘揭粋€(gè)數(shù)量級(jí)。

DMSE研究生Thomas Defferriere解釋說：“把這個(gè)屏障想象成兩座山之間的深谷。一個(gè)人需要艱苦跋涉，才能從一座山來到另一座山。然而，想象一下，峽谷里充滿了水。突然間，一切變得容易多了。旅行者可以乘船或游泳到達(dá)對(duì)岸?！?/p>

研究人員專門演示了，當(dāng)氧離子通過由二氧化鈰和釓構(gòu)成的常用固體電解質(zhì)時(shí)，光對(duì)氧離子運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的影響。據(jù)稱這些發(fā)現(xiàn)也有望應(yīng)用于其他傳導(dǎo)不同元素的陶瓷系統(tǒng)。

斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程副教授William Chueh（未參與本項(xiàng)研究）表示：“雖然人們對(duì)光照射下電子的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了廣泛的研究，但離子運(yùn)動(dòng)到現(xiàn)在才受到關(guān)注。這項(xiàng)工作表明，用于燃料電池、電解槽和電池的照明材料，可以大大減少離子運(yùn)動(dòng)的瓶頸。對(duì)于通常在黑暗中運(yùn)行的儲(chǔ)能和轉(zhuǎn)換設(shè)備，這一有趣的發(fā)現(xiàn)或?qū)㈤_啟利用光來提升性能的途徑。”

西北大學(xué)材料科學(xué)與工程系的教授Sossina Haile（未參與本項(xiàng)研究）表示：“這甚至表明，光有可能作為一種開關(guān)來開啟和關(guān)閉離子運(yùn)動(dòng)?！?/p>

廣泛的應(yīng)用前景

這項(xiàng)工作或?qū)碛袕V泛的應(yīng)用前景。例如，通過提高充電率，提高薄鋰電池電解質(zhì)的性能；通過精細(xì)調(diào)整光聚焦，也可以在非常精確的指定位置上控制離子流動(dòng)。

研究人員指出，一些基于離子導(dǎo)電性的設(shè)備，如固體氧化物燃料電池，必須在700攝氏度左右的高溫下運(yùn)行，這樣離子才能克服并跨越晶界勢(shì)壘。反過來，高溫也會(huì)帶來相應(yīng)的問題，例如材料本身會(huì)降解，而適應(yīng)這種溫度的基礎(chǔ)設(shè)施也很昂貴。

研究人員希望，使用不需要熱量的東西來克服這些障礙，或是用另一種工具來實(shí)現(xiàn)相同的電導(dǎo)率，比如光。這項(xiàng)工作是跨學(xué)科的。Defferriere表示：“這迫使研究人員走出陶瓷和電化學(xué)領(lǐng)域等傳統(tǒng)舒適地帶，進(jìn)入半導(dǎo)體領(lǐng)域?！?/p>

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