光在锂離子電池、高燃料電池中發揮着重要作用，它可以顯著增加電池陶瓷材料和燃料電池的離子遷移率。如在固态電解質陶瓷燃料電池中，可使晶界處的電導率提高 3.5 倍，未來這種光離子效應有望得到更加廣泛的應用。
在“雙碳”時代，人們不僅将锂離子電池視為綠色能源的儲存載體，還将其作為新能源汽車的主要動力源。然而，锂離子電池在現階段也存在着一定的局限性，如壽命低、價格貴、安全性差等。
如果這些問題一直得不到解決，锂電池的大規模使用性就會受到影響。事實上，像燃料電池、锂離子電池以及其他相似儲能系統，通常隻能通過離子高遷移率維持正常工作。
但是，锂離子遷移的流動性存在較大障礙，以固體氧化物材料電池為例，其工作條件非常苛刻，隻有當工作溫度達到某一個數值時才能正常運作，進而讓離子解決晶界存在的障礙。
另外，如果工作溫度太高，也會對離子電導率器件的工作造成影響，在超過 700°C （攝氏度）的工作溫度下，該材料則會加速老化，同時讓保護锂離子電池器件的高溫基礎設施成本變得高昂。
為了解決這一難題，慕尼黑工業大學和麻省理工學院（MIT）科研團隊首次提出并證明，光能夠提高锂離子的遷移率和此類裝置的固有性能。
1 月 13 日，相關論文以《多晶陶瓷中跨越晶界的光增強離子電導率》（Photo-enhanced ionic conductivity across grain boundaries in polycrystalline ceramics）為題發表在Nature Meterials上。
圖｜相關論文（來源：Nature Meterials）
由麻省理工學院材料科學與工程系博士研究所學生馬斯·德弗裡耶爾（Thomas Defferriere）和迪諾·克洛茨（Dino Klotz）、哈利·泰勒（Harry Tuller）教授、慕尼黑工業大學化學系詹妮弗·魯普（Jennifer Rupp）教授擔任共同通訊作者[1]。
該研究成果的通訊作者之一馬斯·德弗裡耶爾希望找到一種無需熱量的工具，以克服锂離子電池中存在的障礙。與此同時，他們也在猜想，可否用另一種工具得到相同的電導率。後來，這種工具被證明是可行的、輕量級容易達到的。
光線可以讓锂離子活躍起來
快離子導體是固态電化學能量轉換、存儲和傳感系統的重要組成部分。它既可以作為離子導電的電解質，也可以作為固态電池電極、燃料電池電極或氣體滲透膜的混合離子-電子導體。
但固态導體的選擇取決于移動離子的自由選擇，例如，用于固體氧化物燃料電池和電解槽、锂和鈉離子導體。即便可移動離子在各自的晶格中具有不同的電荷和離子半徑，控制離子跳躍的輸運動力學仍然具有相似性。
圖｜一般晶界特征及紫外線照射的影響（來源：Nature Meterials）
在锂電池的成本效益中，固體電解質被加工成陶瓷球團或闆，通過粉末合成、燒結緻密化，最終合成由晶粒和晶界組成的多晶微觀結構。
該團隊正在研究的陶瓷電解質運輸氧離子，其移動速率以及由此産生的裝置的效率，通常會因離子在晶界被阻塞而顯着降低，他們認為光照可以解決離子在陶瓷晶界中存在的問題。
該團隊詳細分析了照明進一步調節晶界電阻率的政策，這種方式可以适用于其他多晶離子導體。當他們研究了光對多晶矽晶界的影響之後，發現在高光照度下光電探測器或太陽能電池工作時，其晶界電阻會随之減小。
據本次研究成果資訊，在這項工作中，該團隊重點關注的照明對離子有效勢壘的潛在影響，他們所選擇模型材料，是最高導電性氧離子固體電解質，至今還沒有參考文獻。
為“光離子效應”在锂電池儲能及技術方面鋪平道路
詹妮弗·魯普向媒體表示：“從我們所做的工作可以發現，将來燃料電池和電池陶瓷材料的光照能夠顯着增加離子遷移率，并且在固态電解質陶瓷燃料電池中，可使晶界處的電導率提高 3.5 倍。”
圖｜妮弗·魯普（Jennifer Rupp）（來源：慕尼黑工業大學官網）
多晶陶瓷帶隙材料的光學照明已被證明，在 250°C 時，離子電導率可以增加了近 4 倍，這與光誘導的晶界空間電荷勢能降低有關。
此外，光緻加熱和電子導電性可以排除光離子效應的潛在來源。該團隊通過實驗發現，光主要可以增強離子傳導而并非電子傳導，理想的高離子固體電解質不會受到影響，這種現象并不局限于氧固體電解質的情況，它可以更廣泛地應用于晶界空間電荷效應阻礙離子運動的材料系統。
譬如，光可以增強離子傳導這一概念可以應用于锂電池，它就可以通過提高充電率來提高電池性能。同樣，它作為一種診斷工具，可用于研究阻斷晶界對樹枝狀晶形成的影響。
該團隊新發現的這種“光離子效應”，在未來商業化方面具有很大的潛在應用價值，如促進锂電池的充電速度，在較低的工作溫度下運作，可以為實作更高效率水準的新型電化學存儲和轉換技術鋪平了道路。
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