從原子層面來看，離子在電池電解液中的流動看似順暢，實(shí)際上卻相當(dāng)復(fù)雜。固態(tài)電池通過離子在兩個電極之間來回移動來儲存和釋放電荷。從我們通常的角度來看，離子在電池的固態(tài)電解質(zhì)中流動，就像一條平緩的小溪。但從原子尺度來看，這種平滑的流動只是一種假象：在穩(wěn)定電壓的推動下，單個離子在電解質(zhì)寬敞的原子晶格中無規(guī)律地從一個空隙跳到另一個空隙。這些跳躍很難預(yù)測，觸發(fā)和檢測也是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

近距離觀察，電池電極之間的離子流實(shí)際上是一系列原子級的無規(guī)律跳躍。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)受到電壓沖擊時(shí)，大多數(shù)離子會短暫地向后跳回它們之前的位置，然后再繼續(xù)它們通常的無規(guī)律旅行--這是它們在某種意義上記得自己剛剛?cè)ミ^的地方的第一個跡象。

現(xiàn)在，在首次同類研究中，研究人員用激光脈沖照射跳動的離子，給它們施加電壓。出乎他們意料的是，大多數(shù)離子短暫地逆轉(zhuǎn)了方向，回到了它們之前的位置，然后又開始了它們通常的、更加隨機(jī)的旅行。這是第一個跡象表明，離子在某種意義上記得它們剛剛?cè)ミ^的地方。

離子“非牛頓流體”

研究人員說："你可以把離子想象成玉米淀粉和水的混合物。這就是我們經(jīng)常聽到的非牛頓流體，如果我們輕輕推動這種玉米淀粉混合物，它就會像液體一樣流動；但如果我們猛擊它，它就會變成固體。電池中的離子就像電子玉米淀粉。它們通過向后移動來抵御激光的猛烈震動?！罢缪芯咳藛T所說，離子的"模糊記憶"僅持續(xù)幾十億分之一秒。但知道它的存在將有助于科學(xué)家首次預(yù)測行進(jìn)中的離子下一步會做什么--這是發(fā)現(xiàn)和開發(fā)新材料的一個重要考慮因素。

專為速度設(shè)計(jì)的電解液

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用了一種固體電解質(zhì)的透明薄晶體，這種電解質(zhì)屬于一種被稱為β-鋁的材料。這些材料是迄今發(fā)現(xiàn)的第一批高導(dǎo)電性電解質(zhì)。它們含有微小的通道，跳躍離子可以在其中快速移動，而且具有比液態(tài)電解質(zhì)更安全的優(yōu)點(diǎn)。β-鋁可用于固態(tài)電池、鈉硫電池和電化學(xué)電池。當(dāng)離子在β-氧化鋁通道中跳躍時(shí)，研究人員用長度僅為萬億分之一秒的激光脈沖照射它們，然后測量從電解質(zhì)中返回的光線。

通過改變激光脈沖和測量之間的時(shí)間，他們能夠精確地確定離子的速度和偏好方向在激光沖擊后幾兆分之一秒內(nèi)的變化情況。

怪異和不尋常

研究員說："離子跳躍過程中出現(xiàn)了多種奇怪而不尋常的現(xiàn)象。當(dāng)我們施加一種使電解質(zhì)搖晃的力時(shí)，離子不會像大多數(shù)材料那樣立即做出反應(yīng)。離子可能會在那里坐一會兒，突然跳起來，然后又在那里坐一會兒。你可能需要等待一段時(shí)間，然后突然發(fā)生巨大的位移。因此，這個過程中存在著隨機(jī)因素，這就給這些實(shí)驗(yàn)帶來了困難。"

研究人員提到，在此之前人們一直認(rèn)為離子的行進(jìn)方式是典型的"隨機(jī)行走"：它們推搡、碰撞、跌跌撞撞，就像喝醉酒的人踉踉蹌蹌地走在人行道上，但最終會以一種在旁觀者看來是故意的方式到達(dá)某個目的地?；蛘呦胂氤赭驖M屋子的人噴出惡臭的噴霧；噴霧中的分子隨機(jī)地打鬧、碰撞，但很快就會到達(dá)你的鼻子。

科學(xué)家說："當(dāng)談到跳躍離子時(shí)，在原子尺度上這幅圖是錯誤的，但這并不是得出這一結(jié)論的人的錯。只是長期以來，研究人員一直在用宏觀工具研究離子傳輸，他們無法觀察到我們在這項(xiàng)研究中看到的現(xiàn)象。"這里的原子尺度發(fā)現(xiàn)，將有助于彌合我們可以在計(jì)算機(jī)中建模的原子運(yùn)動與材料宏觀性能之間的差距。