Los iones que saltan de una pila recuerdan dónde han estado
Visto con detalle atómico, el flujo aparentemente fluido de iones a través del electrolito de una batería es sorprendentemente complicado
Las baterías de estado sólido almacenan y liberan carga impulsando iones entre dos electrodos. Desde nuestro punto de vista habitual, los iones fluyen a través del electrolito sólido de la batería como una suave corriente.
Visto de cerca, el flujo de iones entre los electrodos de la pila es en realidad una serie de saltos erráticos a escala atómica. Los experimentos realizados en un laboratorio láser del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC demostraron que, al ser sacudidos con una sacudida de voltaje, la mayoría de los iones retrocedían brevemente hasta sus posiciones anteriores antes de reanudar sus erráticos viajes habituales, el primer indicio de que recordaban, en cierto sentido, dónde acababan de estar.
Greg Stewart/SLAC National. Accelerator Laboratory
Pero a escala atómica, ese flujo suave es una ilusión: Los iones saltan erráticamente de un espacio abierto a otro dentro de la amplia red atómica del electrolito, empujados en dirección a un electrodo por un voltaje constante. Estos saltos son difíciles de predecir y complicados de provocar y detectar.
Ahora, en el primer estudio de este tipo, los investigadores dieron a los iones saltarines una sacudida de voltaje golpeándolos con un pulso de luz láser. Para su sorpresa, la mayoría de los iones cambiaron brevemente de dirección y volvieron a sus posiciones anteriores antes de reanudar sus viajes habituales, más aleatorios. Era el primer indicio de que los iones recordaban, en cierto sentido, dónde habían estado.
El equipo de investigadores del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía, la Universidad de Stanford, la Universidad de Oxford y la Universidad de Newcastle describen sus hallazgos en el número del 24 de enero de Nature.
Maicena electrónica
"Podemos pensar que los iones se comportan como una mezcla de maicena y agua", explica Andrey D. Poletayev, investigador postdoctoral de Oxford que colaboró en la dirección del experimento cuando era postdoctorando en el SLAC. "Si empujamos suavemente esta mezcla de almidón de maíz, cede como un líquido; pero si le damos un puñetazo, se vuelve sólida. Los iones de una batería son como la maicena electrónica. Resisten la fuerte sacudida de una descarga de luz láser retrocediendo.
La "memoria difusa" de los iones, como dice Poletayev, dura sólo unas milmillonésimas de segundo. Pero saber que existe ayudará a los científicos a predecir, por primera vez, qué harán a continuación los iones que viajan, algo importante para descubrir y desarrollar nuevos materiales.
Un electrolito diseñado para la velocidad
Para sus experimentos en el laboratorio de láser del SLAC, los investigadores utilizaron cristales finos y transparentes de un electrolito sólido de una familia de materiales llamados beta-aluminas. Estos materiales fueron los primeros electrolitos de alta conductividad jamás descubiertos. Contienen canales diminutos por los que los iones pueden desplazarse rápidamente y tienen la ventaja de ser más seguros que los electrolitos líquidos. Las betaalúminas se utilizan en pilas de estado sólido, baterías de sodio-azufre y celdas electroquímicas.
A medida que los iones saltaban por los canales de la betaalúmina, los investigadores los golpeaban con pulsos de luz láser de apenas una trillonésima de segundo y medían la luz que salía del electrolito.
Variando el tiempo entre el pulso láser y la medición, pudieron determinar con precisión cómo cambiaban la velocidad y la dirección preferida de los iones en las pocas trillonésimas de segundo posteriores a la sacudida del láser.
Raro e inusual
"En el proceso de salto de iones ocurren muchas cosas raras e inusuales", explica Aaron Lindenberg, profesor de SLAC y Stanford e investigador del Instituto de Ciencias de los Materiales y la Energía de Stanford (SIMES), que dirigió el estudio.
"Cuando aplicamos una fuerza que sacude el electrolito, el ion no responde inmediatamente como en la mayoría de los materiales", explica. "El ion puede quedarse ahí un rato, saltar de repente y volver a quedarse ahí un buen rato. Puede que haya que esperar algún tiempo y de repente se produzca un desplazamiento gigantesco. Así que hay un elemento de aleatoriedad en este proceso que dificulta estos experimentos".
Hasta ahora, según los investigadores, se pensaba que la forma en que viajan los iones era un clásico "paseo aleatorio": Se empujan, chocan y van dando tumbos, como una persona borracha que se tambalea por una acera, pero al final llegan a su destino de una forma que a un observador le puede parecer deliberada. Las moléculas del aerosol se agitan y chocan al azar, pero no tardan en llegar a la nariz.
En lo que respecta a los iones saltarines, "esa imagen resulta ser errónea a escala atómica", afirma Poletayev, "pero eso no es culpa de las personas que llegaron a esa conclusión. Es sólo que los investigadores llevan mucho tiempo estudiando el transporte iónico con herramientas macroscópicas y no pudieron observar lo que nosotros vimos en este estudio".
Los descubrimientos a escala atómica realizados aquí, dijo, "ayudarán a salvar la distancia entre los movimientos atómicos que podemos modelizar en un ordenador y el comportamiento macroscópico de un material, que ha complicado tanto nuestra investigación."
Matthias C. Hoffmann, científico jefe de la División de Ciencia y Tecnología Láser de la Fuente de Luz Coherente Linac (LCLS) del SLAC, construyó el aparato láser utilizado en estos experimentos.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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