光电效应：光可以提高燃料电池和锂离子电池的性能

锂离子电池、燃料电池和许多其他设备都依赖于离子的高迁移率才能正常工作。但这种流动性存在大量障碍。由慕尼黑工业大学 (TUM) 的 Jennifer LM Rupp 和麻省理工学院 (MIT) 的 Harry L. Tuller 领导的一个研究小组现在首次表明，光可以用来增加离子的迁移率和提高此类设备的性能。

电荷可以通过多种不同的方式由材料传输。最熟悉的是金属的导电性，其中电荷由电子携带。然而，在许多设备中，离子传输电荷。一个例子是锂离子电池，其中锂离子在充电和放电期间移动。同样，燃料电池依靠氢和氧离子的传输来导电。

目前正在研究陶瓷作为传输氧离子的固体电解质。但是：“我们发现，离子电导率——离子移动的速率以及由此产生的设备的效率——通常会因离子在晶界处被阻塞而显着降低， ”麻省理工学院的 Harry L. Tuller 教授说。

光使离子移动

在他们目前的出版物中，Tuller 和他的同事、慕尼黑工业大学固态电解质化学教授 Jennifer LM Rupp 展示了如何使用光来减少离子在陶瓷晶界处遇到的障碍。

许多基于离子传导性的设备，例如固体氧化物燃料电池，必须在非常高的温度下运行，以便离子能够克服晶界屏障。然而，高达 700 摄氏度的工作温度也带来了自身的挑战：材料老化速度更快，而维持这些高温的基础设施成本高昂。

“我们的梦想是看看我们是否可以使用不需要热量的东西来克服障碍。我们能否使用另一种工具获得相同的电导率?”主要作者和博士生 Thomas Defferriere 说。事实证明，这个工具很轻，以前从未在这种情况下进行过调查。

更高的能量转换和存储效率水平

“我们的研究表明，用于燃料电池和未来电池的陶瓷材料的照明可以显着提高离子迁移率，”Rupp 说。“在掺杂钆的氧化铈中，一种在燃料电池中用作固态电解质的陶瓷，光照将晶界处的电导率提高了 3.5 倍。”

这种新发现的“光离子效应”在未来可以找到广泛的应用。例如，它可以改善未来锂离子电池中固态电解质的性能，从而促进更高的充电速度，或者可以为开发在较低温度下工作并实现更高效率的新型电化学存储和转换技术铺平道路水平。

光也可以精确聚焦，从而可以在空间上控制精确定义点的离子流或切换陶瓷材料的电导率。

该研究得到了美国能源部作为基础能源服务计划一部分的支持、美国国家科学基金会、日本科学促进会作为核心到核心计划的一部分、瑞士国家科学基金会、两项针对年轻科学家的 Kakenhi Grants-In-Aid 和 Equinor ASA。

部分研究在麻省理工学院材料研究科学与工程中心进行，另一部分在纳米系统中心进行，该中心属于美国国家科学基金会的国家纳米技术协调基础设施网络。