蓋世汽車訊 據(jù)外媒報道，麻省理工學院（MIT）和日本九州大學（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動的設備的性能。

（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。長期以來，光一直被用來激發(fā)電子，使其更具導電性。常見的應用如太陽能電池，甚至包括超市的自動感應門。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。

麻省理工學院材料科學與工程系（DMSE）的Harry L.Tuller教授表示：“有很多設備依賴于離子本身的運動，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動。同樣，燃料電池依靠氫離子和氧離子運動來產(chǎn)生電能。

Tuller與麻省理工學院材料科學與工程系副教授Jennifer LM Rupp共同領導了此項工作。Tuller還隸屬于麻省理工學院材料研究實驗室和九州大學國際碳中性能源研究所（I2CNER）。Jennifer同時是德國慕尼黑工業(yè)大學固態(tài)電解質(zhì)化學系副教授。

問題所在

基于離子運動的應用（稱為固體電解質(zhì)）材料是陶瓷。陶瓷由細小的微晶顆粒組成，這些顆粒在高溫下被壓實并燒成致密的結構。問題是，當離子穿過材料時，通常會在顆粒之間的邊界處受阻。這會降低離子的電導率（即離子移動的速度），以及相關設備的效率。

解決方案

在這項新研究中，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壘。Tuller表示：“研究人員正在利用光降低勢壘高度，這樣的話，能將離子流動性提高3倍。通過優(yōu)化系統(tǒng)，希望能夠?qū)⑵涮嵘揭粋€數(shù)量級。

DMSE研究生Thomas Defferriere解釋說：“把這個屏障想象成兩座山之間的深谷。一個人需要艱苦跋涉，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對岸。”

研究人員專門演示了，當氧離子通過由二氧化鈰和釓構成的常用固體電解質(zhì)時，光對氧離子運動所產(chǎn)生的影響。據(jù)稱這些發(fā)現(xiàn)也有望應用于其他傳導不同元素的陶瓷系統(tǒng)。

斯坦福大學材料科學與工程副教授William Chueh（未參與本項研究）表示：“雖然人們對光照射下電子的運動進行了廣泛的研究，但離子運動到現(xiàn)在才受到關注。這項工作表明，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動的瓶頸。對于通常在黑暗中運行的儲能和轉換設備，這一有趣的發(fā)現(xiàn)或?qū)㈤_啟利用光來提升性能的途徑。”

西北大學材料科學與工程系的教授Sossina Haile（未參與本項研究）表示：“這甚至表明，光有可能作為一種開關來開啟和關閉離子運動。”

廣泛的應用前景

這項工作或?qū)碛袕V泛的應用前景。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。

研究人員指出，一些基于離子導電性的設備，如固體氧化物燃料電池，必須在700攝氏度左右的高溫下運行，這樣離子才能克服并跨越晶界勢壘。反過來，高溫也會帶來相應的問題，例如材料本身會降解，而適應這種溫度的基礎設施也很昂貴。

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現(xiàn)相同的電導率，比如光。這項工作是跨學科的。Defferriere表示：“這迫使研究人員走出陶瓷和電化學領域等傳統(tǒng)舒適地帶，進入半導體領域。”

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