原子芭蕾：科学家在电池技术上的惊人发现

　　近距离观察，电池电极之间的离子流动实际上是一系列不稳定的原子级跳跃。在SLAC国家加速器实验室的激光实验室中进行的实验表明，当受到电压震动时，大多数离子会短暂地跳回到之前的位置，然后恢复它们通常不稳定的旅程——从某种意义上说，这是它们第一次记住自己刚刚去过的地方。资料来源:Greg Stewart/SLAC National。加速器实验室

　　固态电池通过在两个电极之间来回移动离子来存储和释放电荷。从我们典型的角度来看，离子像一股平缓的水流一样流过电池的固体电解质。

　　但从原子尺度上看，这种平滑的流动是一种错觉:在电解质宽敞的原子晶格中，单个离子不规则地从一个开放空间跳到另一个开放空间，在稳定电压的推动下向电极方向移动。这些跳跃很难预测，也是触发和检测的挑战。

　　现在，在第一次同类研究中，研究人员用激光脉冲撞击跳跃的离子，给它们一个电压震动。令他们惊讶的是，大多数离子短暂地改变了方向，回到了之前的位置，然后又恢复了通常的、更随机的运动。从某种意义上说，这是离子第一次记住它们刚刚去过的地方。

　　来自美国能源部SLAC国家加速器实验室、斯坦福大学、牛津大学和纽卡斯尔大学的研究小组在1月24日出版的《自然》杂志上描述了他们的发现。

　　电nic玉米淀粉

　　“你可以把离子想象成玉米淀粉和水的混合物，”牛津大学博士后研究员安德烈·d·波列塔耶夫(Andrey D. Poletayev)说，他在SLAC做博士后时曾帮助领导过这项实验。“如果我们轻轻地推动这种玉米淀粉混合物，它会像液体一样产生;但如果我们打它，它就会变成固体。电池中的离子就像电子玉米淀粉。它们通过向后移动来抵抗激光的猛烈震动。

　　正如波列塔耶夫所说，离子的“模糊记忆”只持续几十亿分之一秒。但知道它的存在将有助于科学家第一次预测旅行离子下一步会做什么——这是发现和开发新材料的一个重要考虑因素。

　　SLAC首席科学家Matthias C. Hoffmann建造的激光装置，用于用电压震动穿过固态电池电解质的离子的实验。令研究人员惊讶的是，大多数离子的反应是改变路线，跳到之前的位置，然后再回到它们通常不稳定的路径——从某种意义上说，这是它们第一次记得自己去过哪里。图片来源:Andrey D. Poletayev/牛津大学

　　一种为速度而设计的电解质

　　在SLAC激光实验室的实验中，研究人员使用了一种固体电解质的薄而透明的晶体，这种电解质来自一种叫做β -氧化铝的材料家族。这些材料是第一批被发现的高导电性电解质。它们含有微小的通道，在那里跳跃的离子可以快速移动，并且具有比液体电解质更安全的优点。氧化铝用于固态电池、钠硫电池和电化学电池。

　　当离子在β -氧化铝通道中跳跃时，研究人员用只有万亿分之一秒长的激光脉冲照射它们，然后测量从电解质中反射回来的光。

　　通过改变激光脉冲和测量之间的时间间隔，他们能够精确地确定在激光震动后几万亿分之一秒内离子的速度和首选方向是如何变化的。

　　怪异和不寻常

　　“离子跳跃过程中发生了许多奇怪和不寻常的事情，”SLAC和斯坦福大学教授亚伦·林登伯格(Aaron Lindenberg)说，他是斯坦福大学材料与能源科学研究所(SIMES)的研究员，领导了这项研究。

　　“当我们用力摇动电解质时，离子不会像在大多数材料中那样立即反应，”他说。“离子可能在那里坐一会儿，突然跳起来，然后又在那里坐很长一段时间。你可能要等一段时间，然后突然发生了巨大的位移。所以在这个过程中有一个随机因素，这使得这些实验变得困难。”

　　研究人员说，到目前为止，离子的移动方式被认为是一种经典的“随机行走”:它们相互推挤、碰撞、磕磕绊绊地走着，就像一个醉汉在人行道上摇摇晃晃地走着，但最终到达某个目的地的方式在观察者看来似乎是故意的。或者想象一只臭鼬向满屋子的人释放臭气;喷雾中的分子随机地相互碰撞，但很快就会到达你的鼻子。

　　当谈到跃迁离子时，“在原子尺度上，这幅图被证明是错误的，”波列塔耶夫说，“但这不是得出这个结论的人的错。只是研究人员用宏观工具研究离子传递太久了，他们无法观察到我们在这项研究中看到的东西。

　　他说，这里在原子尺度上的发现，“将有助于弥合我们可以在计算机上模拟的原子运动与材料宏观性能之间的差距，这使得我们的研究变得如此复杂。”

　　参考文献:“用非线性光学探测离子传导中记忆的持久性”，作者:Andrey D. Poletayev, Matthias C. Hoffmann, James A. Dawson, Samuel W. Teitelbaum, Mariano Trigo, M. Saiful Islam和Aaron M. Lindenberg, 2024年1月24日，Nature。DOI: 10.1038 / s41586 - 023 - 06827 - 6

　　SLAC直线加速器相干光源(LCLS)激光科学与技术部门的首席科学家马蒂亚斯·c·霍夫曼(Matthias C. Hoffmann)建造了这些实验中使用的激光设备。这项研究的主要资金来自美国能源部科学办公室。