I ricercatori dell'Oregon State University hanno scoperto che un meccanismo chimico descritto per la prima volta più di due secoli fa ha il potenziale per rivoluzionare lo stoccaggio di energia per applicazioni ad alta potenza come veicoli o reti elettriche.

Il gruppo di ricerca guidato da Xiulei (David) Ji del College of Science dell'OSU, insieme ai collaboratori dell'Argonne National Laboratory, l'Università della California Riverside, e l'Oak Ridge National Laboratory, sono i primi a dimostrare che la diffusione potrebbe non essere necessaria per trasportare cariche ioniche all'interno di una struttura a stato solido idratata di un elettrodo di batteria.

"Questa scoperta potrebbe potenzialmente spostare l'intero paradigma dell'accumulo di energia elettrochimica ad alta potenza con nuovi principi di progettazione per gli elettrodi, " disse Xianyong Wu, uno studioso postdottorato presso l'OSU e il primo autore dell'articolo.

I risultati sono stati pubblicati oggi in Energia della natura .

"La creazione di elettrodi Faradaic che offrono la densità di energia della batteria e la potenza del condensatore con un'eccellente durata del ciclo è stata una grande sfida, " disse Ji, professore associato di chimica. "Finora, la maggior parte dell'attenzione è stata dedicata agli ioni metallici, a partire dal litio e osservando la tavola periodica".

Il team collaborativo, però, alzarono gli occhi - al singolo protone dell'idrogeno - e guardarono anche indietro nel tempo, a Theodor von Grotthuss, un chimico lituano di origine tedesca che nel 1806 scrisse la teoria sul trasporto di carica negli elettroliti.

Von Grotthuss aveva solo 20 anni, e vivendo in una regione afflitta da sconvolgimenti politici, quando pubblicò "Memoria sulla decomposizione dell'acqua e dei corpi che essa tiene in soluzione per mezzo dell'elettricità galvanica" su una rivista scientifica francese.

"Nel tumulto del suo tempo e luogo, è riuscito a fare questa grande scoperta, " ha detto Ji. "È stato il primo a capire come funziona l'elettrolita, e descrisse quello che ora è noto come il meccanismo di Grotthuss:protone trasferito mediante scissione cooperativa e formazione di legami idrogeno e legami covalenti O-H all'interno della rete di legami idrogeno delle molecole d'acqua".

Ecco come funziona:la carica elettrica viene condotta quando un atomo di idrogeno che collega due molecole d'acqua "cambia la sua alleanza" da una molecola all'altra, Wu spiega.

"L'interruttore calcia disgiunto uno degli atomi di idrogeno che era legato in modo covalente nella seconda molecola, innescando una catena di spostamenti simili in tutta la rete di legami idrogeno, " ha detto. "Il movimento è come la culla di Newton:gli spostamenti locali correlati portano al trasporto a lungo raggio di protoni, che è molto diverso dalla conduzione di ioni metallici negli elettroliti liquidi, dove gli ioni solvatati diffondono individualmente lunghe distanze in modo veicolare."

Ji ha aggiunto:"Le vibrazioni cooperative dei legami idrogeno e dei legami covalenti idrogeno-ossigeno trasmettono virtualmente un protone da un'estremità di una catena di molecole d'acqua all'altra estremità senza alcun trasferimento di massa all'interno della catena d'acqua".

La staffetta molecolare è l'essenza di un condotto di carica straordinariamente efficiente, Egli ha detto.

"Questo è il bello, " disse Ji. "Se questo meccanismo è installato negli elettrodi della batteria, il protone non deve passare attraverso stretti orifizi nelle strutture cristalline. Se progettiamo materiali con lo scopo di facilitare questo tipo di conduzione, questo condotto è così pronto:abbiamo questa magica autostrada protonica incorporata come parte del reticolo."

Nel loro esperimento, Ji, Wu e i loro collaboratori hanno rivelato le prestazioni di potenza estremamente elevate di un elettrodo di un analogo blu di Prussia, Il blu di Turnbull, conosciuto dall'industria dei coloranti. L'esclusiva rete d'acqua reticolare contigua all'interno del reticolo dell'elettrodo dimostra la "grandezza" promessa dal meccanismo Grotthuss.

"Gli scienziati computazionali hanno fatto enormi progressi nella comprensione di come il salto di protoni avvenga realmente nell'acqua, " disse Ji. "Ma la teoria di Grotthuss non è mai stata esplorata per sfruttare in dettaglio l'accumulo di energia, in particolare in una reazione redox ben definita, che aveva lo scopo di materializzare l'impatto di questa teoria."

Sebbene molto entusiasti delle loro scoperte, Ji avverte che c'è ancora del lavoro da fare per ottenere una carica e una scarica ultraveloci in batterie pratiche per il trasporto o l'accumulo di energia in rete.

"Senza la tecnologia adeguata che coinvolga la ricerca di scienziati dei materiali e ingegneri elettrici, tutto questo è puramente teorico, " ha detto. "Puoi avere una carica o scarica di una batteria chimica in meno di un secondo? Lo abbiamo dimostrato teoricamente, ma per realizzarlo nei dispositivi consumer, potrebbe essere un viaggio ingegneristico molto lungo. In questo momento la comunità delle batterie si concentra sul litio, sodio, e altri ioni metallici, ma i protoni sono probabilmente i portatori di carica più intriganti con vasti potenziali sconosciuti da realizzare".