Die hüpfenden Ionen einer Batterie erinnern sich, wo sie schon waren

Im atomaren Detail betrachtet, ist der scheinbar reibungslose Fluss der Ionen durch den Elektrolyten einer Batterie überraschend kompliziert

22.02.2024

Festkörperbatterien speichern und geben Ladung ab, indem sie Ionen zwischen zwei Elektroden hin- und herschieben. Aus unserer üblichen Sicht fließen die Ionen wie ein sanfter Strom durch den festen Elektrolyten der Batterie.

Auf atomarer Ebene betrachtet, ist dieser gleichmäßige Fluss jedoch eine Illusion: Einzelne Ionen hüpfen innerhalb des geräumigen Atomgitters des Elektrolyten unregelmäßig von einem freien Platz zum anderen und werden durch eine konstante Spannung in Richtung einer Elektrode geschoben. Diese Sprünge sind schwer vorherzusagen und eine Herausforderung, sie auszulösen und nachzuweisen.

In der ersten Studie dieser Art gaben die Forscher den hüpfenden Ionen einen Spannungsstoß, indem sie sie mit einem Laserlichtpuls trafen. Zu ihrer Überraschung kehrten die meisten Ionen kurzzeitig die Richtung um und kehrten zu ihrer vorherigen Position zurück, bevor sie ihre übliche, eher zufällige Reise fortsetzten. Dies war der erste Hinweis darauf, dass sich die Ionen in gewisser Weise daran erinnerten, wo sie gerade gewesen waren.

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Das Forscherteam vom SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums, der Stanford University, der Oxford University und der Newcastle University beschreibt seine Ergebnisse in der Ausgabe vom 24. Januar in Nature.

Elektronische Speisestärke

"Man kann sich die Ionen wie eine Mischung aus Maisstärke und Wasser vorstellen", sagt Andrey D. Poletayev, ein Postdoktorand in Oxford, der das Experiment während seiner Zeit als Postdoc am SLAC leitete. "Wenn wir diese Maisstärkemischung sanft drücken, gibt sie wie eine Flüssigkeit nach, aber wenn wir auf sie schlagen, wird sie fest. Die Ionen in einer Batterie sind wie elektronische Speisestärke. Sie widerstehen einer starken Erschütterung durch einen Stoß von Laserlicht, indem sie sich zurückbewegen.

Das "unscharfe Gedächtnis" der Ionen, wie Poletayev es nennt, dauert nur ein paar Milliardstel Sekunden. Aber das Wissen um seine Existenz wird den Wissenschaftlern helfen, zum ersten Mal vorherzusagen, was reisende Ionen als nächstes tun werden - ein wichtiger Aspekt bei der Entdeckung und Entwicklung neuer Materialien.

Ein auf Geschwindigkeit ausgelegter Elektrolyt

Für ihre Experimente im SLAC-Laserlabor verwendeten die Forscher dünne, transparente Kristalle eines Festelektrolyten aus einer Materialfamilie namens Beta-Aluminium. Diese Materialien waren die ersten hochleitfähigen Elektrolyte, die jemals entdeckt wurden. Sie enthalten winzige Kanäle, in denen sich Ionen schnell bewegen können, und haben den Vorteil, dass sie sicherer sind als flüssige Elektrolyte. Beta-Alumina werden in Festkörperbatterien, Natrium-Schwefel-Batterien und elektrochemischen Zellen verwendet.

Während die Ionen durch die Kanäle des Beta-Aluminiumoxids hüpften, beschossen die Forscher sie mit Laserlichtimpulsen, die nur Billionstel Sekunden lang waren, und maßen dann das Licht, das aus dem Elektrolyten zurückkam.

Indem sie die Zeit zwischen dem Laserpuls und der Messung variierten, konnten sie genau bestimmen, wie sich die Geschwindigkeit und die bevorzugte Richtung der Ionen in den wenigen Billionstelsekunden nach dem Stoß des Lasers änderten.

Seltsam und ungewöhnlich

"Beim Ionen-Sprungprozess gehen mehrere seltsame und ungewöhnliche Dinge vor sich", sagt Aaron Lindenberg, Professor am SLAC und in Stanford am Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES), der die Studie leitete.

"Wenn wir eine Kraft anwenden, die den Elektrolyten erschüttert, reagiert das Ion nicht sofort wie in den meisten Materialien", sagte er. "Es kann sein, dass das Ion eine Weile dort sitzt, plötzlich springt und dann wieder eine ganze Weile dort sitzt. Es kann sein, dass man einige Zeit warten muss und dann plötzlich eine riesige Verschiebung stattfindet. Es gibt also ein Element der Zufälligkeit in diesem Prozess, das diese Experimente schwierig macht".

Bisher, so die Forscher, ging man davon aus, dass es sich bei der Reise der Ionen um einen klassischen "Random Walk" handelt: Sie drängeln, stoßen zusammen und stolpern, wie eine betrunkene Person, die auf dem Bürgersteig torkelt, aber schließlich erreichen sie ihr Ziel auf eine Art und Weise, die einem Beobachter absichtlich erscheinen kann. Oder denken Sie an ein Stinktier, das stinkende Gischt in einen Raum voller Menschen versprüht; die Moleküle in der Gischt stoßen wahllos zusammen, erreichen aber nur allzu schnell Ihre Nase.

Was die hüpfenden Ionen anbelangt, "stellt sich dieses Bild auf atomarer Ebene als falsch heraus", so Poletayev, "aber das ist nicht die Schuld der Leute, die zu diesem Schluss gekommen sind. Es ist nur so, dass die Forscher den Ionentransport schon so lange mit makroskopischen Werkzeugen untersucht haben, dass sie nicht beobachten konnten, was wir in dieser Studie gesehen haben.

Die Entdeckungen auf atomarer Ebene, die hier gemacht wurden, werden dazu beitragen, die Lücke zwischen den atomaren Bewegungen, die wir im Computer modellieren können, und der makroskopischen Leistung eines Materials zu schließen, die unsere Forschung so kompliziert gemacht hat", sagte er.

Matthias C. Hoffmann, leitender Wissenschaftler in der Laser Science and Technology Division der Linac Coherent Light Source (LCLS) des SLAC, baute die Laserapparatur, die bei diesen Experimenten verwendet wurde.

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Originalveröffentlichung

Andrey D. Poletayev, Matthias C. Hoffmann, James A. Dawson, Samuel W. Teitelbaum, Mariano Trigo, M. Saiful Islam, Aaron M. Lindenberg; "The persistence of memory in ionic conduction probed by nonlinear optics"; Nature, Volume 625, 2024-1-24

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