从原子层面来看，离子在电池电解液中的流动看似顺畅，实际上却相当复杂。固态电池通过离子在两个电极之间来回移动来储存和释放电荷。从我们通常的角度来看，离子在电池的固态电解质中流动，就像一条平缓的小溪。但从原子尺度来看，这种平滑的流动只是一种假象：在稳定电压的推动下，单个离子在电解质宽敞的原子晶格中无规律地从一个空隙跳到另一个空隙。这些跳跃很难预测，触发和检测也是一项挑战。
近距离观察，电池电极之间的离子流实际上是一系列原子级的无规律跳跃。在 SLAC 国家加速器实验室的激光实验室中进行的实验表明，当受到电压冲击时，大多数离子会短暂地向后跳回它们之前的位置，然后再继续它们通常的无规律旅行--这是它们在某种意义上记得自己刚刚去过的地方的第一个迹象。图片来源：Greg Stewart/SLAC 国家加速器实验室加速器实验室
现在，在首次同类研究中，研究人员用激光脉冲照射跳动的离子，给它们施加电压。出乎他们意料的是，大多数离子短暂地逆转了方向，回到了它们之前的位置，然后又开始了它们通常的、更加随机的旅行。这是第一个迹象表明，离子在某种意义上记得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》杂志上介绍了他们的发现。
离子“非牛顿流体”
牛津大学博士后研究员 Andrey D. Poletayev 说："你可以把离子想象成玉米淀粉和水的混合物。这就是我们经常听到的非牛顿流体，如果我们轻轻推动这种玉米淀粉混合物，它就会像液体一样流动；但如果我们猛击它，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御激光的猛烈震动。"
正如波列塔耶夫所说，离子的"模糊记忆"仅持续几十亿分之一秒。但知道它的存在将有助于科学家首次预测行进中的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。
由 SLAC 首席科学家马蒂亚斯-霍夫曼（Matthias C. Hoffmann）制造的激光仪器，用于在固态电池电解质中用电压冲击震荡离子的实验。令研究人员惊讶的是，大多数离子的反应是扭转方向，跳到它们之前的位置，然后再回到它们通常的不规则路径上--这是第一个迹象，表明它们在某种意义上记得自己曾经去过的地方。图片来源：Andrey D. Poletayev/牛津大学
专为速度设计的电解液
在 SLAC 激光实验室进行的实验中，研究人员使用了一种固体电解质的透明薄晶体，这种电解质属于一种被称为β-铝的材料。这些材料是迄今发现的第一批高导电性电解质。它们含有微小的通道，跳跃离子可以在其中快速移动，而且具有比液态电解质更安全的优点。β-铝可用于固态电池、钠硫电池和电化学电池。
当离子在β-氧化铝通道中跳跃时，研究人员用长度仅为万亿分之一秒的激光脉冲照射它们，然后测量从电解质中返回的光线。
通过改变激光脉冲和测量之间的时间，他们能够精确地确定离子的速度和偏好方向在激光冲击后几兆分之一秒内的变化情况。
怪异和不寻常
领导这项研究的斯坦福材料与能源科学研究所（SIMES）研究员、SLAC 和斯坦福大学教授亚伦-林登伯格（Aaron Lindenberg）说："离子跳跃过程中出现了多种奇怪而不寻常的现象。当我们施加一种使电解质摇晃的力时，离子不会像大多数材料那样立即做出反应。离子可能会在那里坐一会儿，突然跳起来，然后又在那里坐一会儿。你可能需要等待一段时间，然后突然发生巨大的位移。因此，这个过程中存在着随机因素，这就给这些实验带来了困难。"
研究人员说，在此之前，人们一直认为离子的行进方式是典型的"随机行走"：它们推搡、碰撞、跌跌撞撞，就像喝醉酒的人踉踉跄跄地走在人行道上，但最终会以一种在旁观者看来是故意的方式到达某个目的地。或者想想臭鼬向满屋子的人喷出恶臭的喷雾；喷雾中的分子随机地打闹、碰撞，但很快就会到达你的鼻子。
波列塔耶夫说："当谈到跳跃离子时，在原子尺度上这幅图是错误的，但这并不是得出这一结论的人的错。只是长期以来，研究人员一直在用宏观工具研究离子传输，他们无法观察到我们在这项研究中看到的现象。"
他说，这里的原子尺度发现"将有助于弥合我们可以在计算机中建模的原子运动与材料宏观性能之间的差距，而这种差距使我们的研究变得如此复杂"。
编译来源：ScitechDaily