นักวิทยาศาสตร์ค้นพบเทคโนโลยี แบตเตอรี่ ที่น่าประหลาดใจ
แบตเตอรี่ โซลิดสเตต เก็บและปล่อยประจุไฟฟ้าโดยการเคลื่อนย้ายไอออนไปมาระหว่าง ขั้วไฟฟ้า ทั้งสอง จากมุมมองทั่วไปของเราไอออนจะไหลผ่านอิเล็กโทรไลต์แข็งของแบตเตอรี่ราวกับกระแสน้ำที่นุ่มนวลแต่เมื่อมองในระดับอะตอม การไหลที่ราบรื่นนั้นเป็นภาพลวงตา:ไอออนแต่ละตัวจะกระโดดอย่างผิดปกติจากที่ว่างหนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งภายในตาข่ายอะตอมอันกว้างใหญ่ของอิเล็กโทรไลต์
โดยดันไปในทิศทางของอิเล็กโทรดด้วยแรงดันไฟฟ้าคงที่การกระโดดเหล่านั้นยากต่อการคาดเดาและเป็นความท้าทายในการกระตุ้นและตรวจ
จับในการศึกษาครั้งแรกในลักษณะนี้นักวิจัยได้กระตุ้นแรงดันไฟฟ้าให้กับไอออนกระโดดโดยการฟาดพวกมันด้วยแสงเลเซอร์
พวกเขาต้องประหลาดใจที่ไอออนส่วนใหญ่กลับทิศทางชั่วครู่และกลับสู่ตำแหน่งก่อนหน้าก่อนที่จะเดินทางต่อตามปกติและสุ่มมากขึ้นมันเป็นสิ่งบ่งชี้แรกที่ไอออนจำได้ว่าพวกเขาเพิ่งอยู่ที่ไหนทีมวิจัยจากห้องปฏิบัติการเร่งความเร็วแห่งชาติ SLAC ของกระทรวงพลังงาน
มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด มหาวิทยาลัยอ็อกซ์ฟอร์ด และมหาวิทยาลัยนิวคาสเซิลบรรยายถึงสิ่งที่พวกเขาพบในวารสาร Nature ฉบับวันที่ 24 มกราคม Andrey D. Poletayev นักวิจัยหลังปริญญาเอกที่ Oxford ผู้ช่วยเป็นผู้นำการทดลองตอนที่เขาเรียนจบปริญญาเอกที่ SLAC กล่าวว่า
“คุณคงนึกถึงไอออนที่มีพฤติกรรมเหมือนส่วนผสมของแป้งข้าวโพดกับน้ำได้”
“ถ้าเราค่อยๆ ดันส่วนผสมแป้งข้าวโพดนี้ออกมา มันจะได้เหมือนของเหลว แต่ถ้าเราชกมันก็จะแข็ง ไอออนในแบตเตอรี่ก็เหมือนกับแป้งข้าวโพดอิเล็กทรอนิกส์ พวกเขาต้านทานการสั่นอย่างรุนแรงจากการกระแทกของแสงเลเซอร์โดยการเคลื่อนไปข้างหลัง
“ความทรงจำคลุมเครือ” ของไอออนดังที่ Poletayev กล่าวไว้นั้นกินเวลาเพียงไม่กี่พันล้านวินาทีแต่การรู้ว่ามีอยู่จริงจะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ทำนายได้เป็นครั้งแรกว่าไอออนที่เดินทางจะทำอะไรต่อไป ซึ่งเป็นข้อพิจารณาที่สำคัญในการค้นพบและพัฒนาวัสดุใหม่อิเล็กโทรไลต์ที่ออกแบบมาเพื่อความเร็ว
สำหรับการทดลองในห้องปฏิบัติการเลเซอร์ของ SLAC นักวิจัยได้ใช้ผลึกโปร่งใสบาง ๆ ของอิเล็กโทรไลต์แข็งจากกลุ่มวัสดุที่เรียกว่าเบต้า-อลูมินาวัสดุเหล่านี้เป็นอิเล็กโทรไลต์ที่มีความนำไฟฟ้าสูงชนิดแรกที่เคยค้นพบ มีช่องเล็กๆ ที่ไอออนกระโดดสามารถเดินทางได้อย่างรวดเร็ว
และมีข้อดีคือปลอดภัยกว่าอิเล็กโทรไลต์เหลว เบต้า-อลูมินาใช้ในแบตเตอรี่โซลิดสเตต แบตเตอรี่โซเดียม-ซัลเฟอร์ และเซลล์ไฟฟ้าเคมี
ขณะที่ไอออนกระโดดผ่านช่องของเบต้า-อลูมินานักวิจัยก็โจมตีพวกมันด้วยแสงเลเซอร์ที่มีความยาวเพียงล้านล้านวินาทีจากนั้นจึงวัดแสงที่กลับออกมาจากอิเล็กโทรไลต์
ด้วยการเปลี่ยนแปลงเวลาระหว่างพัลส์เลเซอร์และการวัดพวกเขาสามารถระบุได้อย่างแม่นยำว่าความเร็วของไอออนและทิศทางที่ต้องการเปลี่
ยนแปลงไปอย่างไรในไม่กี่ล้านล้านวินาทีหลังจากการกระแทกจากเลเซอร์แปลกและผิดปกติ
“มีสิ่งแปลกและผิดปกติหลายอย่างเกิดขึ้นในกระบวนการกระโดดไอออน” SLAC และศาสตราจารย์แอรอน ลินเดนเบิร์ก จากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดนักวิจัยจากสถาบันวัสดุและวิทยาศาสตร์พลังงานสแตนฟอร์ด (SIMES) ซึ่งเป็นผู้นำการศึกษากล่าว “เมื่อเราออกแรงเขย่าอิเล็กโทรไลต์ ไอออนจะไม่ตอบสนองในทันทีเหมือนในวัสดุส่วนใหญ่”
เขากล่าว “ไอออนอาจนั่งอยู่ตรงนั้นสักพัก จู่ๆ ก็กระโดด แล้วก็นั่งตรงนั้นอีกสักพักหนึ่งอีกครั้ง คุณอาจต้องรอสักระยะหนึ่ง แล้วจู่ๆ ก็เกิดการกระจัดขนาดยักษ์เกิดขึ้น จึงมีองค์ประกอบของการสุ่มในกระบวนการนี้ซึ่งทำให้การทดลองเหล่านี้ยาก”
จนถึงขณะนี้ นักวิจัยกล่าวว่า วิธีการเดินทางของไอออนถือเป็น “การเดินสุ่ม” แบบคลาสสิก พวกมันกระแทก ชนกัน และกระแทกไปตามทาง
เหมือนคนเมาที่โซเซไปตามทางเท้า แต่ในที่สุดก็ไปถึงจุดหมายปลายทางด้วยวิธีที่ อาจดูเหมือนจงใจต่อผู้สังเกตการณ์
หรือนึกถึงสกั๊งค์ปล่อยสเปรย์เหม็นเข้าไปในห้องที่เต็มไปด้วยผู้คนโมเลกุลในสเปรย์จะสุ่มกระแทกและชนกัน แต่ทั้งหมดพุ่งไปถึงจมูกของคุณเร็วเกินไป
.
ที่มา : https://scitechdaily.com/atomic-ballet-scientists-make-surprising-discovery-in-battery-technology