Vu de près, le flux d’ions entre les électrodes de la batterie est en réalité une série de sauts erratiques à l’échelle atomique. Des expériences dans un laboratoire laser du Laboratoire national des accélérateurs du SLAC ont montré que lorsqu'ils étaient secoués par une secousse de tension, la plupart des ions sautaient brièvement en arrière vers leurs positions précédentes avant de reprendre leurs voyages erratiques habituels – la première indication qu'ils se souvenaient, en un sens, de l'endroit où ils s'étaient trouvés. juste été. Crédit : Greg Stewart/SLAC National. Laboratoire d'accélérateurs
Vu au niveau atomique, le flux apparemment fluide des ions à travers l’électrolyte d’une batterie est en réalité assez complexe.
Les batteries à semi-conducteurs stockent et libèrent la charge en poussant les ions entre deux électrodes. De notre point de vue habituel, les ions circulent à travers l'électrolyte solide de la batterie comme un léger courant.
Mais vu à l'échelle atomique, ce flux fluide est une illusion : des ions individuels sautent de manière erratique d'un espace ouvert à un autre au sein du vaste réseau atomique de l'électrolyte, poussés en direction d'une électrode par une tension constante. Ces sauts sont difficiles à prévoir et constituent un défi à déclencher et à détecter.
Dans la première étude de ce type, les chercheurs ont donné aux ions sautillants une décharge de tension en les frappant avec une impulsion de lumière laser. À leur grande surprise, la plupart des ions ont brièvement inversé leur direction et sont revenus à leurs positions précédentes avant de reprendre leurs voyages habituels, plus aléatoires. C'était la première indication que les ions se souvenaient, en un sens, de l'endroit où ils venaient de se trouver.
L'équipe de recherche du Laboratoire national des accélérateurs SLAC du ministère de l'Énergie, de l'Université de Stanford, de l'Université d'Oxford et de l'Université de Newcastle a décrit ce qu'elle a découvert dans le numéro du 24 janvier de Nature.
Fécule de maïs électronique
« Vous pouvez imaginer que les ions se comportent comme un mélange de fécule de maïs et d'eau », a déclaré Andrey D. Poletayev, chercheur postdoctoral à Oxford qui a contribué à diriger l'expérience lorsqu'il était postdoctoral au SLAC. « Si nous poussons doucement ce mélange de fécule de maïs, il cède comme un liquide ; mais si on le frappe, il devient solide. Les ions dans une batterie sont comme la fécule de maïs électronique. Ils résistent à une forte secousse provoquée par une secousse de lumière laser en reculant.
La « mémoire floue » des ions, comme le dit Poletayev, ne dure que quelques milliardièmes de seconde. Mais savoir qu’il existe aidera les scientifiques à prédire, pour la première fois, ce que feront ensuite les ions voyageurs – une considération importante pour la découverte et le développement de nouveaux matériaux.
Un appareil laser construit par Matthias C. Hoffmann, scientifique principal du SLAC, pour des expériences qui secouaient des ions voyageant à travers un électrolyte de batterie à semi-conducteurs avec une secousse de tension. À la surprise des chercheurs, la plupart des ions ont réagi en inversant leur trajectoire et en sautant vers leurs positions précédentes avant de revenir à leurs trajectoires erratiques habituelles – la première indication qu'ils se souvenaient, en un sens, de l'endroit où ils se trouvaient. Crédit : Andrey D. Poletayev/Université d'Oxford
Un électrolyte conçu pour la vitesse
Pour leurs expériences dans le laboratoire laser du SLAC, les chercheurs ont utilisé des cristaux fins et transparents d'un électrolyte solide issu d'une famille de matériaux appelés bêta-alumines. Ces matériaux ont été les premiers électrolytes à haute conductivité jamais découverts. Ils contiennent de minuscules canaux dans lesquels les ions sautillants peuvent se déplacer rapidement et ont l’avantage d’être plus sûrs que les électrolytes liquides. Les bêta-alumines sont utilisées dans les batteries à semi-conducteurs, les batteries sodium-soufre et les cellules électrochimiques.
Alors que les ions se frayaient un chemin à travers les canaux de l'alumine bêta, les chercheurs les frappaient avec des impulsions de lumière laser qui ne duraient que des milliards de secondes, puis mesuraient la lumière qui revenait de l'électrolyte.
En faisant varier le temps entre l'impulsion laser et la mesure, ils ont pu déterminer avec précision comment la vitesse et la direction préférée des ions changeaient quelques milliards de secondes après la secousse du laser.
Bizarre et insolite
« Il se produit de nombreuses choses étranges et inhabituelles dans le processus de saut d'ions », a déclaré Aaron Lindenberg, professeur au SLAC et à Stanford, chercheur à l'Institut des sciences des matériaux et de l'énergie de Stanford (SIMES) qui a dirigé l'étude.
« Lorsque nous appliquons une force qui secoue l'électrolyte, l'ion ne répond pas immédiatement comme dans la plupart des matériaux », a-t-il déclaré. « L’ion peut rester là un moment, sauter soudainement, puis rester là pendant un bon moment. Vous devrez peut-être attendre un certain temps et soudain, un déplacement géant se produira. Il y a donc un élément de hasard dans ce processus qui rend ces expériences difficiles.
Jusqu'à présent, disent les chercheurs, la façon dont les ions se déplacent était considérée comme une « marche aléatoire » classique : ils se bousculent, entrent en collision et balbutient, comme une personne ivre titubant sur un trottoir, mais finissent par atteindre une destination d'une manière qui peut paraître délibéré à un observateur. Ou pensez à une mouffette qui libère un spray puant dans une pièce pleine de monde ; les molécules contenues dans le spray se bousculent et entrent en collision au hasard, mais atteignent trop rapidement votre nez.
En ce qui concerne les ions sautillants, « cette image s'avère fausse à l'échelle atomique », a déclaré Poletayev, « mais ce n'est pas la faute de ceux qui sont arrivés à cette conclusion. C'est juste que les chercheurs étudient le transport ionique avec des outils macroscopiques depuis si longtemps, et ils n'ont pas pu observer ce que nous avons vu dans cette étude.
Les découvertes à l'échelle atomique faites ici, a-t-il déclaré, « contribueront à combler le fossé entre les mouvements atomiques que nous pouvons modéliser dans un ordinateur et les performances macroscopiques d'un matériau, qui ont rendu nos recherches si compliquées ».
Matthias C. Hoffmann, scientifique principal de la division Science et technologie laser de la source de lumière cohérente Linac (LCLS) du SLAC, a construit l'appareil laser utilisé dans ces expériences. Le financement majeur de l’étude est venu du Bureau des sciences du DOE.
