從原子的角度來看，離子在電池電解質中看似平滑的流動實際上是相當複雜的。

固態電池通過在兩個電極之間來回推動離子來存儲和釋放電荷。從我們通常的觀點來看，離子在電池的固體電解質中流動，就像一股平緩的水流。

但從原子尺度上看，這種平滑的流動是一種錯覺：在電解質寬敞的原子晶格中，單個離子不規則地從一個開放空間跳到另一個開放空間，在穩定電壓的推動下向電極方向移動。這些跳躍很難預測，也是觸發和檢測的挑戰。

現在，在第一次同類研究中，研究人員用激光脈沖撞擊跳躍的離子，給它們一個電壓震動。令他們驚訝的是，大多數離子短暫地改變了方向，回到了之前的位置，然後又恢複了通常的、更隨機的運動。從某種意義上說，這是離子第一次記住它們剛剛去過的地方。

來自美國能源部SLAC國家加速器實驗室、斯坦福大學、牛津大學和紐卡斯爾大學的研究小組在1月24日出版的《自然》雜志上描述了他們的發現。

電子玉米澱粉

“你可以把離子想象成玉米澱粉和水的混合物，”牛津大學博士後研究員安德烈·d·波列塔耶夫（Andrey D. Poletayev）說，他在SLAC做博士後時曾幫助領導過這項實驗。“如果我們輕輕地推動這種玉米澱粉混合物，它會像液體一樣；但如果我們打它，它就會變成固體。電池中的離子就像電子玉米澱粉。它們通過向後移動來抵抗激光的猛烈震動。”

正如波列塔耶夫所說，離子的“模糊記憶”只持續幾十億分之一秒。但知道它的存在將有助于科學家第一次預測旅行離子下一步會做什麽 —— 這是發現和開發新材料的一個重要考慮因素。

一種爲速度而設計的電解質

在SLAC激光實驗室的實驗中，研究人員使用了一種固體電解質的薄而透明的晶體，這種電解質來自一種叫做β -氧化鋁的材料家族。這些材料是第一批被發現的高導電性電解質。它們含有微小的通道，在那裏跳躍的離子可以快速移動，並且具有比液體電解質更安全的優點。氧化鋁用于固態電池、鈉硫電池和電化學電池。

當離子在β -氧化鋁通道中跳躍時，研究人員用只有萬億分之一秒長的激光脈沖照射它們，然後測量從電解質中反射回來的光。

通過改變激光脈沖和測量之間的時間間隔，他們能夠精確地確定在激光震動後幾萬億分之一秒內離子的速度和首選方向是如何變化的。

怪異和不尋常

“離子跳躍過程中發生了許多奇怪和不尋常的事情，”SLAC和斯坦福大學教授亞倫·林登伯格（Aaron Lindenberg）說，他是斯坦福大學材料與能源科學研究所（SIMES）的研究員，領導了這項研究。

“當我們用力搖動電解質時，離子不會像在大多數材料中那樣立即反應，”他說。“離子可能在那裏坐一會兒，突然跳起來，然後又在那裏坐很長一段時間。你可能要等一段時間，然後突然發生了巨大的位移。所以在這個過程中有一個隨機因素，這使得這些實驗變得困難。”

研究人員說，到目前爲止，離子的移動方式被認爲是一種經典的“隨機行走”：它們相互推擠、碰撞、磕磕絆絆地走著，就像一個醉漢在人行道上搖搖晃晃地走著，但最終到達某個目的地的方式在觀察者看來似乎是故意的。或者想象一只臭鼬向滿屋子的人釋放臭氣；噴霧中的分子隨機地相互碰撞，但很快就會到達你的鼻子。

當談到躍遷離子時，“在原子尺度上，這幅圖被證明是錯誤的，”波列塔耶夫說，“但這不是得出這個結論的人的錯。只是研究人員用宏觀工具研究離子傳遞太久了，他們無法觀察到我們在這項研究中看到的東西。

他說，這裏在原子尺度上的發現，“將有助于彌合我們可以在計算機上模擬的原子運動與材料宏觀性能之間的差距，這使得我們的研究變得如此複雜。”

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