簡(jiǎn)介：從原子層面來看，離子在電池電解液中的流動(dòng)看似順暢，實(shí)際上卻相當(dāng)復(fù)雜。固態(tài)電池通過離子在兩個(gè)電極之間來回移動(dòng)來儲(chǔ)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(dòng)，就像一條平緩的小溪。但從原子尺度來看，這種平滑的流動(dòng)只是一種假象：在穩(wěn)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規(guī)律地從一個(gè)空隙跳到另一個(gè)空隙。這些跳躍很難預(yù)測(cè)，觸發(fā)和檢測(cè)也是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。
近年來，科學(xué)家們?cè)陔姵丶夹g(shù)方面取得了一項(xiàng)驚人的發(fā)現(xiàn)，即離子“非牛頓流體”的存在。這一發(fā)現(xiàn)有望為電池技術(shù)帶來重大突破，并推動(dòng)可再生能源和儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展。
所謂“非牛頓流體”，是指具有特殊流變性質(zhì)的物質(zhì)。傳統(tǒng)上，人們認(rèn)為液體的流動(dòng)行為遵循牛頓定律，即粘度與剪切速率成正比。然而，離子“非牛頓流體”在電場(chǎng)作用下會(huì)出現(xiàn)不同尋常的行為。
科學(xué)家們最初對(duì)這種“非牛頓流體”產(chǎn)生了興趣，是因?yàn)樗赡茉陔姵丶夹g(shù)中發(fā)揮重要作用。電池是一種將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備，而流動(dòng)電池則是一種將流體電解質(zhì)用作電池材料的新型電池。然而，傳統(tǒng)的流動(dòng)電池由于流體電解質(zhì)的高粘度而限制了其性能。而離子“非牛頓流體”則可以克服這一問題，提供更高的離子遷移率和更好的電池性能。
從原子層面來看，離子在電池電解液中的流動(dòng)看似順暢，實(shí)際上卻相當(dāng)復(fù)雜。固態(tài)電池通過離子在兩個(gè)電極之間來回移動(dòng)來儲(chǔ)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(dòng)，就像一條平緩的小溪。但從原子尺度來看，這種平滑的流動(dòng)只是一種假象：在穩(wěn)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規(guī)律地從一個(gè)空隙跳到另一個(gè)空隙。這些跳躍很難預(yù)測(cè)，觸發(fā)和檢測(cè)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(jí)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(huì)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?cè)谀撤N意義上記得自己剛剛?cè)ミ^的地方的第一個(gè)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(dòng)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(gè)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(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。它們通過向后移動(dòng)來抵御激光的猛烈震動(dòng)?！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(cè)行進(jìn)中的離子下一步會(huì)做什么--這是發(fā)現(xiàn)和開發(fā)新材料的一個(gè)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(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(dāng)離子在β-氧化鋁通道中跳躍時(shí)，研究人員用長(zhǎng)度僅為萬億分之一秒的激光脈沖照射它們，然后測(cè)量從電解質(zhì)中返回的光線。
通過改變激光脈沖和測(cè)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(huì)像大多數(shù)材料那樣立即做出反應(yīng)。離子可能會(huì)在那里坐一會(huì)兒，突然跳起來，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(huì)以一種在旁觀者看來是故意的方式到達(dá)某個(gè)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(huì)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(cuò)誤的，但這并不是得出這一結(jié)論的人的錯(cuò)。只是長(zhǎng)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?cè)谶@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(dòng)與材料宏觀性能之間的差距。
雖然離子“非牛頓流體”的發(fā)現(xiàn)還處于初級(jí)階段，但它無疑為電池技術(shù)帶來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。科學(xué)家們將繼續(xù)深入研究，以更好地理解其性質(zhì)和應(yīng)用。相信隨著進(jìn)一步的發(fā)展，離子“非牛頓流體”將成為電池技術(shù)的重要組成部分，為能源領(lǐng)域的發(fā)展做出卓越貢獻(xiàn)。
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