Вчені зробили дивовижні відкриття в технології виробництва акумуляторів

Твердотільні батареї накопичують і вивільняють заряд, штовхаючи іони туди-сюди між двома електродами. З нашої звичайної точки зору, іони протікають через твердий електроліт батареї, як м’який потік.

Але якщо побачити в атомному масштабі, цей плавний потік є ілюзією: окремі іони безладно стрибають з одного відкритого простору в інший у просторій атомній решітці електроліту, штовхаючи в напрямку електрода постійна напруга. Ці стрибки важко передбачити, і викликати та виявити їх складно.

Тепер, у першому дослідженні такого роду, дослідники дали стрибаючим іонам поштовх напруги, вразивши їх імпульсом лазерного світла. На їх подив, більшість іонів ненадовго змінили напрямок і повернулися до своїх попередніх позицій, перш ніж відновити свої звичайні, більш випадкові подорожі. Це була перша ознака того, що іони в певному сенсі пам’ятають, де вони щойно були.

Дослідницька група з Національної лабораторії прискорювачів SLAC Департаменту енергетики, Стенфордського університету, Оксфордського університету та Університету Ньюкасла описала те, що вони знайшли, у номері Nature за 24 січня.

Електронний кукурудзяний крохмаль

«Ви можете думати, що іони поводяться як суміш кукурудзяного крохмалю та води», — сказав Андрій Д. Полєтаєв, докторант Оксфорда, який допомагав проводити експеримент, коли він був постдокторантом у SLAC. Якщо ми обережно штовхнемо цю суміш кукурудзяного крохмалю, вона потече, як рідина; але якщо ми його пробиваємо, він стає твердим. Іони в акумуляторі схожі на електронний кукурудзяний крохмаль. Вони протистоять сильному струсу від поштовху лазерного світла, рухаючись назад.

«Нечітка пам’ять» іонів, як висловлюється Полєтаєв, триває лише кілька мільярдних часток секунди. Але знання про його існування допоможе вченим вперше передбачити, що подорожуючі іони робитимуть далі – важливий момент для відкриття та розробки нових матеріалів.

Електроліт, розроблений для швидкості

Для своїх експериментів у лазерній лабораторії SLAC дослідники використовували тонкі прозорі кристали твердого електроліту з групи матеріалів під назвою бета-оксид алюмінію. Ці матеріали були першими виявленими електролітами з високою провідністю. Вони містять крихітні канали, через які стрибаючі іони можуть швидко рухатися, і мають перевагу в тому, що вони безпечніші, ніж рідкі електроліти. Бета-глинозем використовується в твердотільних батареях, сірчано-натрієвих батареях і електрохімічних елементах.

Коли іони стрибали через канали бета-оксиду алюмінію, дослідники вражали їх імпульсами лазерного світла тривалістю лише трильйонні частки секунди, а потім вимірювали світло, яке поверталося з електроліту.

Змінюючи час між лазерним імпульсом і вимірюванням, вони змогли точно визначити, як швидкість іонів і бажаний напрямок змінилися за кілька трильйонних часток секунди після поштовху від лазера.

Дивний і незвичайний

«У процесі іонного стрибка відбувається багато дивних і незвичайних речей», — сказав професор SLAC і Стенфорд Аарон Лінденберг, дослідник Стенфордського інституту матеріалознавства та енергетики (SIMES), який керував дослідженням.

«Коли ми застосовуємо силу, яка струшує електроліт, іон не реагує негайно, як у більшості матеріалів», — сказав він. «Іон може посидіти деякий час, раптово підстрибнути, а потім знову посидіти там досить довго. Можливо, доведеться чекати деякий час, а потім раптом відбувається гігантське зміщення. Отже, у цьому процесі є елемент випадковості, який ускладнює ці експерименти».

До цього часу, за словами дослідників, спосіб подорожі іонів вважався класичною «випадковою прогулянкою»: вони штовхаються, стикаються та ковтаються, як п’яна людина, хитаючись, тротуаром, але врешті-решт досягають певної мети таким чином, може здатися спостерігачеві навмисним. Або подумайте про скунса, який випускає смердючий спрей у кімнату, повну людей; молекули в спреї випадково штовхаються і стикаються, але надто швидко досягають вашого носа.

Коли мова заходить про стрибаючі іони, «ця картина виявляється неправильною в атомному масштабі», — сказав Полєтаєв, «але це не вина людей, які дійшли такого висновку. Просто дослідники так довго досліджували іонний транспорт за допомогою макроскопічних інструментів, і вони не могли спостерігати те, що ми бачили в цьому дослідженні.

За його словами, відкриття в атомному масштабі, зроблені тут, «допоможуть подолати розрив між атомними рухами, які ми можемо моделювати в комп’ютері, та макроскопічними властивостями матеріалу, які настільки ускладнили наше дослідження».