Poskakující ionty baterie si pamatují, kde byly

Foto: VeComoHacerlo/Pixabay

Pevné baterie ukládají a uvolňují náboj posouváním iontů tam a zpět mezi dvě elektrody. Z našeho obvyklého pohledu proudí ionty pevným elektrolytem baterie jako jemný proud. Vědci zjistili, že zdánlivě hladký tok iontů elektrolytem baterie, je překvapivě komplikovaný.

Při pohledu na atomové měřítko je tento hladký tok iluzí. Jednotlivé ionty nepravidelně přeskakují z jednoho otevřeného prostoru do druhého v prostorné atomové mřížce elektrolytu, šťouchané ve směru elektrody stálým napětím. Tyto skoky je těžké předvídat a je obtížné je spustit a odhalit.

Nyní, v první studii svého druhu, vědci dali skákajícím iontům ráz napětí tím, že je zasáhli pulzem laserového světla. K jejich překvapení většina iontů nakrátko obrátila směr a vrátila se do svých předchozích pozic, než pokračovala ve svých obvyklých, náhodnějších cestách. Byl to první náznak, že si ionty v jistém smyslu pamatovaly, kde právě byly.

Elektronický kukuřičný škrob

„Můžete si představit, že se ionty chovají jako směs kukuřičného škrobu a vody,“ řekl Andrey D. Poletayev, postdoktorandský výzkumník z Oxfordu, který pomáhal vést experiment, když byl postdoktorandem v laboratoři SLAC. „Pokud tuto směs kukuřičného škrobu jemně zatlačíme, chová se jako kapalina, ale když do něj udeříme, ztuhne. Ionty v baterii jsou jako elektronický kukuřičný škrob. Odolávají silnému otřesu způsobenému otřesem laserového světla pohybem dozadu.

„Neostrá paměť“ iontů, jak říká Poletajev, trvá jen několik miliardtin sekundy. Ale vědomí, že existuje, pomůže vědcům poprvé předpovědět, co udělají putující ionty příště, což je důležitý faktor pro objevování a vývoj nových materiálů.

Foto: Greg Stewart/SLAC National. Laboratoř urychlovačů/Tiskový zdroj

Foto: Andrey D. Poletajev/Oxfordská univerzita

Laserový přístroj sestrojený vedoucím vědcem SLAC Matthiasem C. Hoffmannem pro experimenty, které otřásly ionty procházejícími elektrolytem pevné baterie s nárazem napětí. K překvapení výzkumníků většina iontů zareagovala obrácením kurzu a skokem do svých předchozích pozic, než se vrátila na své obvyklé nevyzpytatelné dráhy – první náznak, že si v jistém smyslu pamatovali, kde byli. 

Elektrolyt určený pro rychlost

Pro své experimenty v laserové laboratoři SLAC použili vědci tenké, průhledné krystaly pevného elektrolytu z rodiny materiálů nazývaných beta-aluminy. Tyto materiály byly vůbec prvními objevenými elektrolyty s vysokou vodivostí. Obsahují malé kanálky, kde se mohou skákající ionty pohybovat rychle a mají tu výhodu, že jsou bezpečnější než kapalné elektrolyty. Beta-oxidy hlinité se používají v bateriích v pevné fázi, bateriích sodíku a síry a elektrochemických článcích.

Jak ionty proskakovaly kanály beta-oxidu hlinitého, výzkumníci je zasáhli pulzy laserového světla, které byly jen biliontiny sekundy dlouhé a poté změřili světlo, které se vrátilo z elektrolytu.  

Změnou doby mezi laserovým pulzem a měřením byli schopni přesně určit, jak se změnila rychlost a preferovaný směr iontů během několika biliontin sekundy po nárazu laseru.

Zvláštní a neobvyklé

„V procesu iontového skákání se děje mnoho podivných a neobvyklých věcí,“ řekl Stanfordský profesor Aaron Lindenberg, vyšetřovatel Stanfordského institutu pro materiálové a energetické vědy (SIMES), který vedl studii.

„Když aplikujeme sílu, která otřese elektrolytem, ​​iont nereaguje okamžitě jako u většiny materiálů,“ řekl. „Ion tam může chvíli sedět, najednou vyskočit a pak tam zase nějakou dobu sedět.“ Možná budete muset nějakou dobu počkat a pak najednou dojde k obrovskému posunu. Takže v tomto procesu je prvek náhodnosti, který tyto experimenty ztěžuje.“

Až dosud se vědci domnívali, že způsob, jakým se ionty pohybují, byl klasickou „náhodnou chůzí“. Strkají se, narážejí a bouchají do sebe, jako když se opilý člověk potácí po chodníku, ale nakonec dosáhnou nějakého cíle způsobem, který pozorovateli připadají záměrné. Nebo si vzpomeňte na skunk vypouštějící páchnoucí sprej do místnosti plné lidí. Molekuly ve spreji se náhodně tlačí a srážejí, ale až příliš rychle se dostanou k vašemu nosu.

Pokud jde o poskakující ionty, „ten pohked se v atomovém měřítku ukazuje jako špatný,“ řekl Poletajev, „ale to není chyba lidí, kteří k tomuto závěru došli. Jde jen o to, že výzkumníci tak dlouho zkoumali transport iontů pomocí makroskopických nástrojů a nemohli pozorovat to, co jsme viděli v této studii.

Objevy v atomovém měřítku, které zde byly učiněny, řekl, „pomohou překlenout propast mezi atomovými pohyby, které můžeme modelovat v počítači a makroskopickým výkonem materiálu, což náš výzkum tak zkomplikovalo.

—————————————————————————————

SLAC je pulzující multiprogramová laboratoř, která zkoumá, jak funguje vesmír v největším, nejmenším a nejrychlejším měřítku, a vynalézá výkonné nástroje používané vědci po celém světě. S výzkumem zahrnujícím částicovou fyziku, astrofyziku a kosmologii, materiály, chemii, bio- a energetické vědy a vědecké výpočty pomáháme řešit problémy reálného světa a prosazovat zájmy národa.

Článek byl upraven z tiskové zprávy AAAS. Výzkumný tým z Národní laboratoře akcelerátorů SLAC Ministerstva energetiky, Stanford University, Oxford University a Newcastle University popsal svou studii v Nature.