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離子“非牛頓流體”:科學(xué)家在電池技術(shù)方面有了驚人發(fā)現

來(lái)源:  發(fā)布時(shí)間:2024年05月21日 作者:

從原子層面來(lái)看,離子在電池電解液中的流動(dòng)看似順暢,實(shí)際上卻相當復雜。固態(tài)電池通過(guò)離子在兩個(gè)電極之間來(lái)回移動(dòng)來(lái)儲存和釋放電荷。從我們通常的角度來(lái)看,離子在電池的固態(tài)電解質(zhì)中流動(dòng),就像一條平緩的小溪。但從原子尺度來(lái)看,這種平滑的流動(dòng)只是一種假象:在穩定電壓的推動(dòng)下,單個(gè)離子在電解質(zhì)寬敞的原子晶格中無(wú)規律地從一個(gè)空隙跳到另一個(gè)空隙。這些跳躍很難預測,觸發(fā)和檢測也是一項挑戰。

近距離觀(guān)察,電池電極之間的離子流實(shí)際上是一系列原子級的無(wú)規律跳躍。實(shí)驗表明,當受到電壓沖擊時(shí),大多數離子會(huì )短暫地向后跳回它們之前的位置,然后再繼續它們通常的無(wú)規律旅行--這是它們在某種意義上記得自己剛剛去過(guò)的地方的第一個(gè)跡象。

現在,在首次同類(lèi)研究中,研究人員用激光脈沖照射跳動(dòng)的離子,給它們施加電壓。出乎他們意料的是,大多數離子短暫地逆轉了方向,回到了它們之前的位置,然后又開(kāi)始了它們通常的、更加隨機的旅行。這是第一個(gè)跡象表明,離子在某種意義上記得它們剛剛去過(guò)的地方。



離子“非牛頓流體”

研究人員說(shuō):"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(tīng)到的非牛頓流體,如果我們輕輕推動(dòng)這種玉米淀粉混合物,它就會(huì )像液體一樣流動(dòng);但如果我們猛擊它,它就會(huì )變成固體。電池中的離子就像電子玉米淀粉。它們通過(guò)向后移動(dòng)來(lái)抵御激光的猛烈震動(dòng)?!罢缪芯咳藛T所說(shuō),離子的"模糊記憶"僅持續幾十億分之一秒。但知道它的存在將有助于科學(xué)家首次預測行進(jìn)中的離子下一步會(huì )做什么--這是發(fā)現和開(kāi)發(fā)新材料的一個(gè)重要考慮因素。

專(zhuān)為速度設計的電解液

在實(shí)驗中,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(chēng)為β-鋁的材料。這些材料是迄今發(fā)現的第一批高導電性電解質(zhì)。它們含有微小的通道,跳躍離子可以在其中快速移動(dòng),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。當離子在β-氧化鋁通道中跳躍時(shí),研究人員用長(cháng)度僅為萬(wàn)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(xiàn)。

通過(guò)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的變化情況。

怪異和不尋常

研究員說(shuō):"離子跳躍過(guò)程中出現了多種奇怪而不尋常的現象。當我們施加一種使電解質(zhì)搖晃的力時(shí),離子不會(huì )像大多數材料那樣立即做出反應。離子可能會(huì )在那里坐一會(huì )兒,突然跳起來(lái),然后又在那里坐一會(huì )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(gè)過(guò)程中存在著(zhù)隨機因素,這就給這些實(shí)驗帶來(lái)了困難。"

研究人員提到,在此之前人們一直認為離子的行進(jìn)方式是典型的"隨機行走":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(huì )以一種在旁觀(guān)者看來(lái)是故意的方式到達某個(gè)目的地?;蛘呦胂氤赭驖M(mǎn)屋子的人噴出惡臭的噴霧;噴霧中的分子隨機地打鬧、碰撞,但很快就會(huì )到達你的鼻子。

科學(xué)家說(shuō):"當談到跳躍離子時(shí),在原子尺度上這幅圖是錯誤的,但這并不是得出這一結論的人的錯。只是長(cháng)期以來(lái),研究人員一直在用宏觀(guān)工具研究離子傳輸,他們無(wú)法觀(guān)察到我們在這項研究中看到的現象。"這里的原子尺度發(fā)現,將有助于彌合我們可以在計算機中建模的原子運動(dòng)與材料宏觀(guān)性能之間的差距。




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