Balet Atom: Ilmuwan Membuat Penemuan Mengejutkan dalam Teknologi Baterai

Jika dilihat pada tingkat atom, aliran ion yang tampak lancar melalui elektrolit baterai sebenarnya cukup kompleks.

Baterai solid-state menyimpan dan melepaskan muatan listrik dengan menggerakkan ion bolak-balik di antara dua elektroda. Dari sudut pandang kita, ion-ion mengalir melalui elektrolit padat baterai seperti aliran yang lembut.

Namun jika dilihat pada skala atom, aliran halus tersebut hanyalah sebuah ilusi: ion-ion berpindah secara tidak menentu dari satu ruang terbuka ke ruang terbuka lainnya di dalam kisi atom elektrolit yang luas, terdorong ke arah elektroda dengan tegangan tetap. Lompatan tersebut sulit diprediksi dan merupakan tantangan untuk dipicu dan dideteksi.

Sekarang, dalam studi pertama dari jenisnya, para peneliti memberikan sentakan tegangan pada ion-ion yang melompat dengan memukul mereka dengan pulsa sinar laser. Yang mengejutkan mereka, sebagian besar ion sempat berbalik arah dan kembali ke posisi sebelumnya sebelum melanjutkan perjalanan seperti biasa dan lebih acak. Ini adalah indikasi pertama bahwa ion-ion tersebut mengingat, dalam arti tertentu, di mana mereka baru saja berada.

Tim peneliti dari Laboratorium Akselerator Nasional SLAC Departemen Energi, Universitas Stanford, Universitas Oxford, dan Universitas Newcastle menggambarkan apa yang mereka temukan dalam jurnal edisi 24 Januari. Alam.

Tepung Jagung Elektronik

“Anda dapat menganggap ion-ion tersebut berperilaku seperti campuran tepung maizena dan air,” kata Andrey D. Poletayev, peneliti pascadoktoral di Oxford yang membantu memimpin eksperimen saat dia menjadi mahasiswa pascadoktoral di SLAC. “Kalau campuran tepung maizena ini kita tekan perlahan, hasilnya seperti cairan; tapi kalau ditinju, jadinya padat. Ion dalam baterai seperti tepung maizena elektronik. Mereka menahan guncangan keras akibat sentakan sinar laser dengan bergerak mundur.

“Memori kabur” ion, seperti yang dikatakan Poletayev, hanya berlangsung beberapa miliar detik. Namun mengetahui keberadaannya akan membantu para ilmuwan memprediksi, untuk pertama kalinya, apa yang akan dilakukan ion-ion yang bergerak selanjutnya – sebuah pertimbangan penting dalam menemukan dan mengembangkan materials baru.

Peralatan laser yang dibuat oleh ilmuwan utama SLAC Matthias C. Hoffmann untuk eksperimen yang mengguncang ion yang bergerak melalui elektrolit baterai solid-state dengan sentakan tegangan. Yang mengejutkan para peneliti, sebagian besar ion merespons dengan membalikkan arah dan melompat ke posisi sebelumnya sebelum kembali ke jalur biasanya yang tidak menentu – indikasi pertama bahwa mereka ingat, dalam arti tertentu, di mana mereka berada. Kredit: Andrey D. Poletayev/Universitas Oxford

Elektrolit yang Dirancang untuk Kecepatan

Untuk percobaan mereka di laboratorium laser SLAC, para peneliti menggunakan kristal elektrolit padat tipis dan transparan dari bahan yang disebut beta-alumina. Bahan-bahan ini adalah elektrolit dengan konduktivitas tinggi pertama yang pernah ditemukan. Elektrolit ini mengandung saluran kecil dimana ion-ion yang meloncat dapat bergerak dengan cepat, dan memiliki keuntungan karena lebih aman dibandingkan elektrolit cair. Beta-alumina digunakan dalam baterai solid-state, baterai natrium-sulfur, dan sel elektrokimia.

Ketika ion-ion melompat melalui saluran beta-alumina, para peneliti memukul mereka dengan gelombang sinar laser yang panjangnya hanya sepersejuta detik, kemudian mengukur cahaya yang keluar dari elektrolit.

Dengan memvariasikan waktu antara denyut laser dan pengukuran, mereka dapat secara tepat menentukan bagaimana kecepatan ion dan arah yang diinginkan berubah dalam sepersekian triliun detik setelah sentakan laser.

Aneh dan Tidak Biasa

“Ada banyak hal aneh dan tidak biasa yang terjadi dalam proses ion hopping,” kata SLAC dan Profesor Stanford Aaron Lindenberg, peneliti di Institut Stanford untuk Ilmu Materials dan Energi (SIMES) yang memimpin penelitian tersebut.

“Saat kita menerapkan gaya yang mengguncang elektrolit, ion tidak langsung merespons seperti pada kebanyakan materials,” katanya. “Ion tersebut mungkin diam di sana beberapa saat, tiba-tiba melompat, lalu duduk di sana cukup lama lagi. Anda mungkin harus menunggu beberapa saat dan kemudian tiba-tiba terjadi perpindahan besar-besaran. Jadi ada unsur keacakan dalam proses ini yang membuat eksperimen ini menjadi sulit.”

Hingga saat ini, kata para peneliti, cara ion bergerak dianggap sebagai “jalan acak” klasik: Mereka berdesak-desakan, bertabrakan, dan berjalan terhuyung-huyung, seperti orang mabuk yang terhuyung-huyung di trotoar, namun akhirnya mencapai suatu tujuan dengan cara yang tidak terduga. mungkin tampak disengaja bagi pengamat. Atau bayangkan seekor sigung mengeluarkan semprotan bau ke dalam ruangan yang penuh dengan orang; molekul-molekul dalam semprotan secara acak berdesak-desakan dan bertabrakan, tetapi terlalu cepat mencapai hidung Anda.

Mengenai ion-ion yang melompat, “gambaran tersebut ternyata salah pada skala atom,” kata Poletayev, “tetapi itu bukan kesalahan orang-orang yang sampai pada kesimpulan tersebut. Hanya saja para peneliti telah lama menyelidiki transpor ionik dengan alat makroskopis, dan mereka tidak dapat mengamati apa yang kami lihat dalam penelitian ini.

Penemuan skala atom yang dilakukan di sini, katanya, “akan membantu menjembatani kesenjangan antara gerakan atom yang dapat kita modelkan di komputer dan kinerja makroskopis suatu materials, yang membuat penelitian kami menjadi begitu rumit.”

Referensi: “Kegigihan memori dalam konduksi ionik diperiksa dengan optik nonlinier” oleh Andrey D. Poletayev, Matthias C. Hoffmann, James A. Dawson, Samuel W. Teitelbaum, Mariano Trigo, M. Saiful Islam dan Aaron M. Lindenberg, 24 Januari 2024, Alam.
DOI: 10.1038/s41586-023-06827-6

Matthias C. Hoffmann, ilmuwan utama di Divisi Sains dan Teknologi Laser dari Linac Coherent Gentle Supply (LCLS) SLAC, membuat peralatan laser yang digunakan dalam eksperimen ini. Pendanaan utama untuk penelitian ini berasal dari DOE Workplace of Science.