Revealing the origin of ionic conduction in silver-iodide-doped silver phosphate glass

Batterijen die onze telefoons en auto's van stroom voorzien, vertrouwen op een eenvoudige maar cruciale truc: het verplaatsen van geladen deeltjes, genaamd ionen, van de ene naar de andere plek. In de vloeibare batterijen die we vandaag de dag gebruiken, stromen deze ionen gemakkelijk door een vloeistof, net zoals zwemmers die door water bewegen. De volgende generatie batterijen heeft echter als doel dat vloeistof te vervangen door een vast materiaal. Deze verandering belooft apparaten die veiliger, stabieler en in staat zijn om meer energie vast te houden. Het probleem is dat ionen moeite hebben om door vaste stoffen te bewegen. In een vloeistof is het pad open; in een vaste stof moeten de ionen een rigide, dichtbevolkt netwerk van atomen navigeren. Decennialang hebben wetenschappers geprobeerd uit te vogelen hoe ze deze ionen vrij door een vaste stof kunnen laten bewegen zonder het materiaal uit elkaar te laten breken. Het heersende idee was vaak dat als je maar genoeg bewegende ionen aan een vaste stof toevoegt, ze vanzelf een manier zullen vinden om te stromen. Maar dit standpunt beschouwt het vaste materiaal zelf als een passieve, onveranderlijke kooi, waarbij wordt genegeerd dat de kooi misschien moet wiebelen of verzachten om de ionen door te laten.

Een team onderzoekers aan de Universiteit van Illinois besloot dit idee te testen met behulp van een specif kind glas gemaakt van zilverfosfaat en zilverjodide. Dit materiaal is een modelsysteem voor het bestuderen van vaste elektrolyten omdat het wetenschappers in staat stelt om de hoeveelheid toegevoegde zilverjodide aan te passen, waardoor de hoeveelheid bewegende ionen en het gedrag van de glasstructuur verandert. De onderzoekers wilden zien wat er gebeurt in het fractie van een seconde wanneer ionen proberen te bewegen, een tijdsbestek dat te snel is voor standaard elektrische tests maar te traag voor het bekijken van eenvoudige atomaire trillingen. Om dit vluchtige moment te vangen, gebruikten ze een techniek genaamd time-domain terahertz spectroscopie. Deze methode stuurt lichtpulsen uit op een frequentie die precies tussen de trage drift van elektriciteit en de snelle trillingen van atomen in zit, waardoor het team de totale elektrische respons van het materiaal kan observeren terwijl deze plaatsvindt.

De studie onthulde dat het simpelweg toevoegen van een hoge concentratie bewegende zilverionen niet voldoende is om snelle transport te creëren. De onderzoekers ontdekten dat de glasstructuur zelf flexibel genoeg moet zijn om deel te nemen aan de beweging. Wanneer zij het materiaal maten, observeerden zij dat het glasnetwerk specifieke lokale structuren bevat waar een zilverion is bevestigd aan de ruggengraat van het glas. Deze structuren fungeren als kleine pendules die kunnen buigen. In materialen waar de glasruggengraat stijf is, trillen deze pendules slechts op hun plaats, wat een gebonden elektrisch signaal creëert dat niet leidt tot werkelijke beweging van lading door het materiaal. Echter, wanneer het glas voldoende zacht wordt gemaakt door de juiste hoeveelheid zilverjodide toe te voegen, veranderen deze lokale trillingen van karakter. De buigbeweging van de glasruggengraat koppelt met de zilverionen, waardoor ze uit hun posities worden geduwd en korte afstanden kunnen springen.

Het team ontdekte dat deze overgang van een vastzittende, vibrerende staat naar een bewegende, springende staat alleen optreedt wanneer aan twee voorwaarden tegelijkertijd wordt voldaan: er moet een hoge dichtheid van mobiele ionen zijn, en het glazen netwerk moet zacht genoeg zijn om de lokale structuren vrij te laten buigen. In de stijvere versies van het glas, zelfs met veel aanwezige ionen, bleef het materiaal in een staat waarin de ionen gevangen werden door de rigide structuur, waarbij ze slechts trilden zonder te reizen. De onderzoekers maten de energie die nodig was voor deze beweging en vonden dat deze zeer laag was, rond de 40 millielectronvolt, wat veel kleiner is dan de energie die nodig is voor langere afstandstransport. Deze lage energiebarrière bevestigt dat de waargenomen beweging een lokaal, kort bereikend evenement is dat wordt gedreven door het verzachten van het glas zelf.

Deze bevindingen dagen het oude beeld uit dat een vaste elektrolyt slechts een statische container is voor bewegende ionen. In plaats daarvan laat het onderzoek zien dat het gastmateriaal een actieve partner is in het proces. Het glasnetwerk doet niet alleen maar stilzwijgend aanwezig; het moet mechanisch zacht zijn en in staat zijn tot specifieke buigbewegingen om de ionen te laten bewegen. De studie suggereert dat het ontwerpen van betere vaste batterijen meer vereist dan alleen het volstoppen met ladingsdragers. Ingenieurs moeten ook het vaste materiaal zo ontwerpen dat de interne structuur flexibel genoeg is om met de ionen te dansen, waardoor een rigide kooi verandert in een dynamisch pad. Door op te lossen hoe deze trillingen en bewegingen met elkaar verbonden zijn, hebben de onderzoekers een duidelijker beeld gegeven van de microscopische regels die de elektrische stroom door vaste stoffen beheersen, wat een nieuw blauwdruk biedt voor het creëren van de hoogwaardige batterijen van de toekomst.