Des chercheurs de l'Oregon State University ont découvert qu'un mécanisme chimique décrit pour la première fois il y a plus de deux siècles a le potentiel de révolutionner le stockage d'énergie pour des applications à haute puissance comme les véhicules ou les réseaux électriques.

L'équipe de recherche dirigée par Xiulei (David) Ji du Collège des sciences de l'OSU, avec des collaborateurs du Laboratoire National d'Argonne, l'Université de Californie Riverside, et le Laboratoire national d'Oak Ridge, sont les premiers à démontrer que la diffusion peut ne pas être nécessaire pour transporter des charges ioniques à l'intérieur d'une structure à l'état solide hydratée d'une électrode de batterie.

"Cette découverte va potentiellement changer tout le paradigme du stockage d'énergie électrochimique à haute puissance avec de nouveaux principes de conception pour les électrodes, " dit Xianyong Wu, un chercheur postdoctoral à l'OSU et le premier auteur de l'article.

Les résultats ont été publiés aujourd'hui dans Énergie naturelle .

« Proposer des électrodes Faradaic qui offrent la densité d'énergie de la batterie et la puissance du condensateur avec une excellente durée de vie a été un grand défi, " dit Ji, professeur agrégé de chimie. "Jusque là, la majeure partie de l'attention a été consacrée aux ions métalliques, en commençant par le lithium et en regardant le tableau périodique."

L'équipe collaborative, cependant, levé les yeux vers le proton unique de l'hydrogène et ils ont également regardé en arrière, à Theodor von Grotthuss, un chimiste lituanien d'origine allemande qui, en 1806, écrivit la théorie du transport de charge dans les électrolytes.

Von Grotthuss n'avait que 20 ans, et vivant dans une région en proie à des bouleversements politiques, lorsqu'il publia "Mémoire sur la décomposition de l'eau et des corps qu'elle tient en solution au moyen de l'électricité galvanique" dans une revue scientifique française.

« Dans la tourmente de son temps et de son lieu, il a réussi à faire cette grande découverte, " Ji a dit. " Il a été le premier à comprendre comment fonctionne l'électrolyte, et il a décrit ce que l'on appelle maintenant le mécanisme de Grotthuss :un proton transféré par clivage coopératif et formation de liaisons hydrogène et de liaisons covalentes O-H au sein du réseau de liaisons hydrogène des molécules d'eau."

Voici comment cela fonctionne :une charge électrique est conduite lorsqu'un atome d'hydrogène reliant deux molécules d'eau « change son allégeance » d'une molécule à l'autre, Wu explique.

« L'interrupteur a déconnecté l'un des atomes d'hydrogène qui était lié de manière covalente dans la deuxième molécule, déclencher une chaîne de déplacements similaires à travers le réseau de liaisons hydrogène, " dit-il. " Le mouvement est comme un berceau de Newton :des déplacements locaux corrélés conduisent au transport à longue distance des protons, ce qui est très différent de la conduction ionique métallique dans les électrolytes liquides, où les ions solvatés diffusent individuellement sur de longues distances à la manière d'un véhicule."

Ji a ajouté :"Les vibrations coopératives des liaisons hydrogène et des liaisons covalentes hydrogène-oxygène transmettent pratiquement un proton d'une extrémité d'une chaîne de molécules d'eau à l'autre extrémité sans transfert de masse à l'intérieur de la chaîne d'eau."

La course de relais moléculaire est l'essence d'un conduit de charge incroyablement efficace, il a dit.

"C'est la beauté de celui-ci, " Ji a dit. " Si ce mécanisme est installé dans les électrodes de la batterie, le proton n'a pas à se faufiler à travers les orifices étroits des structures cristallines. Si nous concevons des matériaux dans le but de faciliter ce type de conduction, ce conduit est si prêt - nous avons cette autoroute magique des protons intégrée dans le réseau."

Dans leur expérience, Ji, Wu et leurs collaborateurs ont révélé les performances de puissance extrêmement élevées d'une électrode d'un analogue bleu de Prusse, Le bleu de Turnbull, connu de l'industrie de la teinture. Le réseau d'eau contigu unique à l'intérieur du réseau de l'électrode démontre la "grandeur" promise par le mécanisme de Grotthuss.

"Les informaticiens ont fait d'énormes progrès pour comprendre comment le saut de proton se produit réellement dans l'eau, " dit Ji. "Mais la théorie de Grotthuss n'a jamais été explorée pour profiter du stockage d'énergie en détail, en particulier dans une réaction redox bien définie, qui avait pour but de matérialiser l'impact de cette théorie."

Bien que très enthousiasmés par leurs découvertes, Ji prévient qu'il reste encore du travail à faire pour atteindre une charge et une décharge ultrarapides dans les batteries qui sont pratiques pour le transport ou le stockage d'énergie sur le réseau.

"Sans la technologie appropriée impliquant la recherche par des scientifiques des matériaux et des ingénieurs électriciens, tout cela est purement théorique, " dit-il. " Pouvez-vous avoir une charge ou une décharge en moins d'une seconde d'une chimie de batterie ? Nous l'avons démontré théoriquement, mais pour le réaliser dans les appareils grand public, cela pourrait être un très long voyage d'ingénierie. À l'heure actuelle, la communauté des batteries se concentre sur le lithium, sodium, et d'autres ions métalliques, mais les protons sont probablement les porteurs de charge les plus intrigants avec de vastes potentiels inconnus à réaliser."