Les ions de la batterie se souviennent d'où ils ont été
Vu dans ses moindres détails, le flux apparemment régulier des ions dans l'électrolyte d'une batterie est étonnamment compliqué
Les batteries à semi-conducteurs stockent et libèrent la charge en poussant les ions à aller et venir entre deux électrodes. De notre point de vue habituel, les ions s'écoulent à travers l'électrolyte solide de la batterie comme un doux ruisseau.
Vu de près, le flux d'ions entre les électrodes d'une batterie est en fait une série de sauts erratiques à l'échelle atomique. Des expériences menées dans un laboratoire laser du SLAC National Accelerator Laboratory ont montré que, lorsqu'ils étaient secoués par un choc de tension, la plupart des ions sautaient brièvement en arrière jusqu'à leur position précédente avant de reprendre leur voyage erratique habituel - la première indication qu'ils se souvenaient, en quelque sorte, de l'endroit où ils venaient de se trouver.
Greg Stewart/SLAC National. Accelerator Laboratory
Mais à l'échelle atomique, cette fluidité n'est qu'une illusion : Les ions individuels sautent de manière erratique d'un espace ouvert à un autre dans le vaste réseau atomique de l'électrolyte, poussés en direction d'une électrode par une tension constante. Ces sauts sont difficiles à prévoir et il est difficile de les déclencher et de les détecter.
Aujourd'hui, dans le cadre de la première étude de ce type, les chercheurs ont donné une impulsion de tension aux ions sauteurs 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 leur position précédente avant de reprendre leurs déplacements habituels, plus aléatoires. C'était la première indication que les ions se souvenaient, en quelque sorte, de l'endroit où ils venaient de passer.
L'équipe de chercheurs du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l'énergie, de l'université de Stanford, de l'université d'Oxford et de l'université de Newcastle décrit ce qu'elle a découvert dans le numéro du 24 janvier de la revue Nature.
Amidon de maïs électronique
"On peut considérer que les ions se comportent comme un mélange d'amidon de maïs et d'eau", explique Andrey D. Poletayev, chercheur postdoctoral à Oxford qui a participé à la direction de l'expérience lorsqu'il était chercheur postdoctoral au SLAC. "Si l'on pousse doucement ce mélange d'amidon de maïs, il se transforme en liquide, mais si on lui donne un coup de poing, il devient solide. Les ions d'une batterie sont comme de la fécule de maïs électronique. Ils résistent à la secousse d'une lumière laser en se déplaçant vers l'arrière.
La "mémoire floue" des ions, comme le dit Poletayev, ne dure que quelques milliardièmes de seconde. Mais le fait de savoir qu'elle existe aidera les scientifiques à prédire, pour la première fois, ce que les ions en mouvement feront ensuite, ce qui est important pour la découverte et le développement de nouveaux matériaux.
Un électrolyte conçu pour la vitesse
Pour leurs expériences dans le laboratoire laser du SLAC, les chercheurs ont utilisé de minces cristaux transparents d'un électrolyte solide appartenant à 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 peuvent se déplacer rapidement et présentent l'avantage d'être plus sûrs que les électrolytes liquides. Les bêta-alumines sont utilisées dans les piles à l'état solide, les piles sodium-soufre et les cellules électrochimiques.
Au fur et à mesure que les ions se déplaçaient dans les canaux de la bêta-alumine, les chercheurs leur ont envoyé des impulsions de lumière laser d'une durée de quelques trillionièmes de seconde, puis ont mesuré la lumière qui ressortait de l'électrolyte.
En variant le temps entre l'impulsion laser et la mesure, ils ont pu déterminer avec précision comment la vitesse et la direction préférée des ions ont changé dans les quelques trillionièmes de seconde qui ont suivi la secousse du laser.
Bizarre et inhabituel
"Il se passe de nombreuses choses étranges et inhabituelles dans le processus de saut des 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 réagit pas immédiatement comme dans la plupart des matériaux", a-t-il expliqué. "L'ion peut rester là un moment, bondir soudainement, puis rester là pendant un bon moment à nouveau. Il se peut qu'il faille attendre un certain temps et que, soudain, un énorme déplacement se produise. Il y a donc un élément aléatoire dans ce processus, ce qui rend ces expériences difficiles".
Selon les chercheurs, jusqu'à présent, on pensait que la façon dont les ions se déplaçaient était une "marche aléatoire" classique : Ils se bousculent, s'entrechoquent et titubent, comme une personne ivre titubant sur un trottoir, mais finissent par atteindre une destination d'une manière qui peut sembler délibérée à un observateur. Ou encore, pensez à une mouffette qui émet un jet nauséabond dans une pièce remplie de gens ; les molécules du jet se bousculent et s'entrechoquent de manière aléatoire, mais elles atteignent trop rapidement votre nez.
En ce qui concerne les ions qui sautent, "cette image s'avère erronée à l'échelle atomique", a déclaré M. Poletayev, "mais ce n'est pas la faute des personnes qui sont arrivées à cette conclusion. C'est simplement que les chercheurs ont étudié le transport ionique avec des outils macroscopiques pendant si longtemps qu'ils n'ont pas pu observer ce que nous avons vu dans cette étude.
Les découvertes faites ici à l'échelle atomique "permettront de combler le fossé entre les mouvements atomiques que nous pouvons modéliser dans un ordinateur et les performances macroscopiques d'un matériau, ce qui a rendu nos recherches si compliquées".
Matthias C. Hoffmann, scientifique principal de la division Science et technologie des lasers de la source de lumière cohérente Linac (LCLS) du SLAC, a construit l'appareil laser utilisé dans ces expériences.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Autres actualités du département science
Recevez les dernières actualités de l’industrie chimique
Ne manquez plus aucune actualité : notre newsletter consacrée à l'industrie chimique, aux méthodes analytiques, aux laboratoires et à la technologie des processus vous informe tous les mardis et jeudis. Les dernières nouvelles du secteur, les produits phares et les innovations - de manière compacte et compréhensible dans votre boîte de réception. Recherché par nos soins, pour que vous n'ayez pas à le faire.
