光线使锂电池电导率提高3.5倍，有望为新型化学存储和转换技术铺平道路
光在锂离子电池、高燃料电池中发挥着重要作用，它可以显著增加电池陶瓷材料和燃料电池的离子迁移率。如在固态电解质陶瓷燃料电池中，可使晶界处的电导率提高 3.5 倍，未来这种光离子效应有望得到更加广泛的应用。在“双碳”时代，人们不仅将锂离子电池视为绿色能源的储存载体，还将其作为新能源汽车的主要动力源。然而，锂离子电池在现阶段也存在着一定的局限性，如寿命低、价格贵、安全性差等。
如果这些问题一直得不到解决，锂电池的大规模使用性就会受到影响。事实上，像燃料电池、锂离子电池以及其他相似储能系统，通常只能通过离子高迁移率维持正常工作。
但是，锂离子迁移的流动性存在较大障碍，以固体氧化物材料电池为例，其工作条件非常苛刻，只有当工作温度达到某一个数值时才能正常运行，进而让离子解决晶界存在的障碍。
另外，如果工作温度太高，也会对离子电导率器件的工作造成影响，在超过 700°C （摄氏度）的工作温度下，该材料则会加速老化，同时让保护锂离子电池器件的高温基础设施成本变得高昂。
为了解决这一难题，慕尼黑工业大学和麻省理工学院（MIT）科研团队首次提出并证明，光能够提高锂离子的迁移率和此类设备的固有性能。
1 月 13 日，相关论文以《多晶陶瓷中跨越晶界的光增强离子电导率》（Photo-enhanced ionic conductivity across grain boundaries in polycrystalline ceramics）为题发表在 Nature Meterials 上。
图｜相关论文
由麻省理工学院材料科学与工程系博士研究生马斯·德弗里耶尔（Thomas Defferriere）和迪诺·克洛茨（Dino Klotz）、哈利·泰勒（Harry Tuller）教授、慕尼黑工业大学化学系詹妮弗·鲁普（Jennifer Rupp）教授担任共同通讯作者。
该研究成果的通讯作者之一马斯·德弗里耶尔希望找到一种无需热量的工具，以克服锂离子电池中存在的障碍。与此同时，他们也在猜想，可否用另一种工具得到相同的电导率。后来，这种工具被证明是可行的、轻量级容易达到的。
光线可以让锂离子活跃起来
快离子导体是固态电化学能量转换、存储和传感系统的重要组成部分。它既可以作为离子导电的电解质，也可以作为固态电池电极、燃料电池电极或气体渗透膜的混合离子-电子导体。
但固态导体的选择取决于移动离子的自由选择，例如，用于固体氧化物燃料电池和电解槽、锂和钠离子导体。即便可移动离子在各自的晶格中具有不同的电荷和离子半径，控制离子跳跃的输运动力学仍然具有相似性。
图｜一般晶界特征及紫外线照射的影响
在锂电池的成本效益中，固体电解质被加工成陶瓷球团或板，通过粉末合成、烧结致密化，最终合成由晶粒和晶界组成的多晶微观结构。
该团队正在研究的陶瓷电解质运输氧离子，其移动速率以及由此产生的装置的效率，通常会因离子在晶界被阻塞而显着降低，他们认为光照可以解决离子在陶瓷晶界中存在的问题。
该团队详细分析了照明进一步调节晶界电阻率的策略，这种方式可以适用于其他多晶离子导体。当他们研究了光对多晶硅晶界的影响之后，发现在高光照度下光电探测器或太阳能电池工作时，其晶界电阻会随之减小。
据本次研究成果信息，在这项工作中，该团队重点关注的照明对离子有效势垒的潜在影响，他们所选择模型材料，是最高导电性氧离子固体电解质，至今还没有参考文献。
为“光离子效应”在锂电池储能及技术方面铺平道路
詹妮弗·鲁普向媒体表示：“从我们所做的工作可以发现，将来燃料电池和电池陶瓷材料的光照能够显着增加离子迁移率，并且在固态电解质陶瓷燃料电池中，可使晶界处的电导率提高 3.5 倍。”
图｜妮弗·鲁普（Jennifer Rupp）
多晶陶瓷带隙材料的光学照明已被证明，在 250°C 时，离子电导率可以增加了近 4 倍，这与光诱导的晶界空间电荷势能降低有关。
此外，光致加热和电子导电性可以排除光离子效应的潜在来源。该团队通过实验发现，光主要可以增强离子传导而并非电子传导，理想的高离子固体电解质不会受到影响，这种现象并不局限于氧固体电解质的情况，它可以更广泛地应用于晶界空间电荷效应阻碍离子运动的材料系统。
譬如，光可以增强离子传导这一概念可以应用于锂电池，它就可以通过提高充电率来提高电池性能。同样，它作为一种诊断工具，可用于研究阻断晶界对树枝状晶形成的影响。
该团队新发现的这种“光离子效应”，在未来商业化方面具有很大的潜在应用价值，如促进锂电池的充电速度，在较低的工作温度下运行，可以为实现更高效率水平的新型电化学存储和转换技术铺平了道路。
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参考：
1. Thomas Defferriere et,al. Nature Materials（2022）
https://www.nature.com/articles/s41563-021-01181-2
https://techxplore.com/news/2022-03-opto-ionic-effect-fuel-cells-lithium-ion.html
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