据国外媒体报道，美国麻省理工学院(MIT)和日本九州大学的研究人员首次证明，基于带电原子或离子的运动，光可以用来显著提高燃料电池、锂电池和其他设备的性能。
(来源:麻省理工学院)
电荷可以以不同的方式穿过材料，例如组成原子的熟悉的电子所携带的电荷。长期以来，光被用来激发电子，使它们更导电。常见的应用如太阳能电池，甚至超市中的自动感应门。后者依靠门上的传感器，由客户发出的红外辐射激活。
麻省理工学院材料科学与工程系(DMSE)的Harry L.Tuller教授说:“有许多设备依赖于离子本身的运动，而不仅仅是它们的组成电子。”比如锂电池，充放电都是靠锂离子的运动。同样，燃料电池依靠氢离子和氧离子的运动来发电。
泰勒和麻省理工学院材料科学与工程副教授詹妮弗·LM·鲁普共同领导了这项工作。Tuller还隶属于麻省理工学院材料研究实验室和九州大学国际碳中性能源研究所(I2CNER)。Jennifer还是慕尼黑工业大学固体电解质化学系的副教授。
问题出在哪里？
基于离子运动的应用(称为固体电解质)材料是陶瓷。陶瓷是由细小的微晶颗粒组成，这些颗粒在高温下被压实并烧结成致密的结构。问题是，当离子穿过材料时，通常会被阻挡在粒子之间的边界。这会降低离子的导电率(即离子移动的速度)和相关设备的效率。
解决办法
在这项新的研究中，研究人员展示了如何利用光来降低离子在晶界遇到的势垒。图勒说:“研究人员正在使用光来降低势垒高度，这可以将离子迁移率提高三倍。通过优化系统，希望能提升一个数量级。
DMSE的研究生Thomas Defferriere解释说:“把这道屏障想象成两座山之间的深谷。从一座山到另一座山需要艰苦的旅行。然而，想象一下峡谷里全是水。突然间，一切都变得容易多了。旅行者可以乘船或游泳到达彼岸。”
研究人员特别演示了光在通过二氧化铈和钆组成的常见固体电解质时对氧离子运动的影响。据说这些发现也有望应用于其他传导不同元素的陶瓷系统。
斯坦福大学材料科学与工程副教授William Chueh(他没有参与这项研究)说:“尽管人们对光照射下电子的运动进行了广泛的研究，但离子运动直到现在才受到重视。这项工作表明，燃料电池、电解池和电池中使用的发光材料可以大大减少离子运动的瓶颈。对于通常在黑暗中运行的能量存储和转换设备来说，这一有趣的发现可能会开辟利用光来提高性能的道路。”
西北大学材料科学与工程系教授索斯纳·海尔(Sossina Haile)(他没有参与这项研究)说:“这甚至表明，光可能被用作开关来开启和关闭离子运动。”
应用前景广阔
这项工作具有广阔的应用前景。比如通过提高充电速率，提高薄型锂电池电解液的性能；通过微调光的焦点，也可以将离子流控制在非常精确的指定位置。
研究人员指出，一些基于离子导电性的设备，如固体氧化物燃料电池，必须在约700摄氏度的高温下运行，这样离子才能克服和穿越晶界势垒。反过来，高温也会带来相应的问题，比如材料本身的降解，适应这个温度的基础设施也很昂贵。
研究人员希望通过使用不需要热量的东西来克服这些障碍，或者通过使用另一种工具来实现相同的导电性，例如光。这项工作是跨学科的。Defferriere说:“这迫使研究人员走出陶瓷和电化学等传统舒适区，进入半导体领域。”据国外媒体报道，美国麻省理工学院(MIT)和日本九州大学的研究人员首次证明，基于带电原子或离子的运动，光可以用来显著提高燃料电池、锂电池和其他设备的性能。
(来源:麻省理工学院)
电荷可以以不同的方式穿过材料，例如组成原子的熟悉的电子所携带的电荷。长期以来，光被用来激发电子，使它们更导电。常见的应用如太阳能电池，甚至超市中的自动感应门。后者依靠门上的传感器，由客户发出的红外辐射激活。
麻省理工学院材料科学与工程系(DMSE)的Harry L.Tuller教授说:“有许多设备依赖于离子本身的运动，而不仅仅是它们的组成电子。”比如锂电池，充放电都是靠锂离子的运动。同样，燃料电池依靠氢离子和氧离子的运动来发电。
泰勒和麻省理工学院材料科学与工程副教授詹妮弗·LM·鲁普共同领导了这项工作。Tuller还隶属于麻省理工学院材料研究实验室和九州大学国际碳中性能源研究所(I2CNER)。Jennifer还是慕尼黑工业大学固体电解质化学系的副教授。
问题出在哪里？
基于离子运动的应用(称为固体电解质)材料是陶瓷。陶瓷是由细小的微晶颗粒组成，这些颗粒在高温下被压实并烧结成致密的结构。问题是，当离子穿过材料时，通常会被阻挡在粒子之间的边界。这会降低离子的导电率(即离子移动的速度)和相关设备的效率。
解决办法
在这项新的研究中，研究人员展示了如何利用光来降低离子在晶界遇到的势垒。图勒说:“研究人员正在使用光来降低势垒高度，这可以将离子迁移率提高三倍。通过优化系统，希望能提升一个数量级。
DMSE的研究生Thomas Defferriere解释说:“把这道屏障想象成两座山之间的深谷。从一座山到另一座山需要艰苦的旅行。然而，想象一下峡谷里全是水。突然间，一切都变得容易多了。旅行者可以乘船或游泳到达彼岸。”
研究人员特别演示了光在通过二氧化铈和钆组成的常见固体电解质时对氧离子运动的影响。据说这些发现也有望应用于其他传导不同元素的陶瓷系统。
斯坦福大学材料科学与工程副教授William Chueh(他没有参与这项研究)说:“尽管人们对光照射下电子的运动进行了广泛的研究，但离子运动直到现在才受到重视。这项工作表明，燃料电池、电解池和电池中使用的发光材料可以大大减少离子运动的瓶颈。对于通常在黑暗中运行的能量存储和转换设备来说，这一有趣的发现可能会开辟利用光来提高性能的道路。”
西北大学材料科学与工程系教授索斯纳·海尔(Sossina Haile，他没有参与这项研究)说:“这甚至表明光可能被用作一种……渴望开启和关闭离子运动。"
应用前景广阔
这项工作具有广阔的应用前景。比如通过提高充电速率，提高薄型锂电池电解液的性能；通过微调光的焦点，也可以将离子流控制在非常精确的指定位置。
研究人员指出，一些基于离子导电性的设备，如固体氧化物燃料电池，必须在约700摄氏度的高温下运行，这样离子才能克服和穿越晶界势垒。反过来，高温也会带来相应的问题，比如材料本身的降解，适应这个温度的基础设施也很昂贵。
研究人员希望通过使用不需要热量的东西来克服这些障碍，或者通过使用另一种工具来实现相同的导电性，例如光。这项工作是跨学科的。Defferriere说:“这迫使研究人员走出陶瓷和电化学等传统舒适区，进入半导体领域。”
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