Le batterie allo stato solido immagazzinano e rilasciano carica elettrica spostando ioni avanti e indietro tra due elettrodi. Dal nostro punto di vista abituale, gli ioni fluiscono attraverso l’elettrolita solido della batteria come un flusso gentile.
Tuttavia, osservando su scala atomica, quel flusso liscio è un’illusione: gli ioni individuali saltano in modo erratico da uno spazio aperto all’altro all’interno del reticolo atomico spazioso dell’elettrolita, spinti nella direzione di un elettrodo da una tensione costante. Questi salti sono difficili da prevedere e una sfida da innescare e rilevare.
Ora, in uno studio pionieristico, i ricercatori hanno dato agli ioni saltellanti una scossa di tensione colpendoli con un impulso di luce laser. Con loro sorpresa, la maggior parte degli ioni ha brevemente invertito la direzione e sono tornati alle loro posizioni precedenti prima di riprendere i loro viaggi più casuali. È stata la prima indicazione che gli ioni ricordavano, in un certo senso, dove erano appena stati.
“Si può pensare agli ioni come a un miscuglio di amido di mais e acqua,” ha detto Andrey D. Poletayev, un ricercatore post-dottorato a Oxford che ha aiutato a condurre l’esperimento quando era un postdoc al SLAC. “Se spingiamo delicatamente questo miscuglio di amido di mais, cede come un liquido; ma se lo colpiamo, diventa solido. Gli ioni in una batteria sono come amido di mais elettronico. Resistono a una scossa forte da un impulso di luce laser muovendosi all’indietro.
La “memoria sfocata” degli ioni, come la definisce Poletayev, dura solo pochi miliardesimi di secondo. Ma sapere che esiste aiuterà gli scienziati a prevedere, per la prima volta, cosa faranno gli ioni in movimento – un aspetto importante per la scoperta e lo sviluppo di nuovi materiali.
Un apparato laser costruito dal capo scienziato del SLAC Matthias C. Hoffmann per esperimenti che scuotono gli ioni che viaggiano attraverso un elettrolita di batteria allo stato solido con una scossa di tensione. Con sorpresa dei ricercatori, la maggior parte degli ioni ha risposto invertendo la rotta e saltando alle loro posizioni precedenti prima di tornare ai loro soliti percorsi erratici — la prima indicazione che ricordavano, in un certo senso, dove erano stati. Credito: Andrey D. Poletayev/Università di Oxford
Per i loro esperimenti nel laboratorio laser del SLAC, i ricercatori hanno utilizzato cristalli sottili e trasparenti di un elettrolita solido appartenente a una famiglia di materiali chiamati beta-allumine. Questi materiali sono stati i primi elettroliti ad alta conducibilità mai scoperti. Contengono piccoli canali dove gli ioni saltellanti possono viaggiare velocemente e hanno il vantaggio di essere più sicuri degli elettroliti liquidi. Le beta-allumine sono utilizzate nelle batterie allo stato solido, nelle batterie sodio-zolfo e nelle celle elettrochimiche.
Man mano che gli ioni saltavano attraverso i canali della beta-allumina, i ricercatori li colpivano con impulsi di luce laser che duravano solo trilionesimi di secondo, poi misuravano la luce che usciva dall’elettrolita.
Variando il tempo tra l’impulso laser e la misurazione, sono stati in grado di determinare con precisione come la velocità e la direzione preferita degli ioni cambiavano nei pochi trilionesimi di secondo dopo la scossa del laser.
“Ci sono molte cose strane e insolite che accadono nel processo di salto degli ioni,” ha detto Aaron Lindenberg, professore al SLAC e a Stanford, e investigatore presso lo Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) che ha guidato lo studio.
“Quando applichiamo una forza che scuote l’elettrolita, l’ione non risponde immediatamente come nella maggior parte dei materiali,” ha detto. “L’ione può rimanere fermo per un po’, saltare improvvisamente, poi rimanere fermo di nuovo per un po’. Potresti dover aspettare un po’ e poi improvvisamente si verifica uno spostamento gigante. Quindi c’è un elemento di casualità in questo processo che rende questi esperimenti difficili.”
Fino ad ora, hanno detto i ricercatori, il modo in cui gli ioni viaggiano era considerato un classico “cammino casuale”: si urtano, collidono e si muovono a tentoni, come una persona ubriaca che barcolla lungo un marciapiede, ma alla fine raggiungono una destinazione in un modo che può sembrare deliberato a un osservatore. Oppure pensa a una puzzola che rilascia uno spray puzzolente in una stanza piena di persone; le molecole nello spray si urtano e collidono casualmente, ma troppo rapidamente raggiungono il tuo naso.
