實驗室的燈光在連續第七十二小時的無間斷工作后,似乎也染上了研究者們眼底那種混合著疲憊與亢奮的血絲。王誠、秦嶼、程諾三人圍在重新變得雜亂的操作臺前,中央攤開著剛從高分辨掃描電鏡和原子探針斷層掃描儀輸出的、關于那幾片“廢料”陶瓷的最新數據圖像。灰白色的薄片在納米尺度的視野下,褪去了平庸的外衣,顯露出令人驚異的復雜內里:那并非簡單的缺陷,而是一種高度無序中暗藏短程有序的異質結構,非晶基質中嵌著尺寸不足五納米的微晶簇,微晶簇的取向隨機,但彼此之間的玻璃相界面卻呈現出一種蜿蜒但連續的、類似分形網絡的通道系統。成分分析則揭示了更微妙的事實:堿土金屬離子與摻雜的過渡金屬離子并非均勻分布,而是在這些納米通道的界面處有約百分之幾的濃度富集,形成一種模糊的化學梯度。
“這……”秦嶼指著屏幕上一條放大的通道三維重建圖,聲音有些發干,“這不是簡單的燒結不均。這像是……某種自組織的相分離結果,在急冷過程中被凍結了。這些通道的曲折度和瓶頸尺寸分布……有統計規律嗎?”
程諾已經調出了圖像處理軟件,嘗試進行幾何參數提取。“初步看,通道直徑在1到8納米之間波動,大部分在2-3納米,正好接近鋰離子溶劑化鞘的尺寸。曲折度……很高,平均迂曲度可能在5以上,意味著離子穿行路徑遠比直線距離長。關鍵是這些瓶頸,”他放大幾個狹窄處,“看這里的成分信號,過渡金屬氧化物含量偏高,可能會與電解液或鋰離子發生特定的表面相互作用。”
王誠沉默地凝視著這些圖像,腦海中那個關于“迷宮引導”的模糊比喻,正被這些冰冷而具體的數據一點點填充、塑形。他最初的工藝,那套自己瞎琢磨的“梯度退火”與“局部急冷”更像是一場粗糙的能量傾瀉與驟停,無意中在材料內部創造了一個非平衡態凝固的微縮宇宙。無序與有序在那里達成了某種詭異的共生,形成了這條曲折、狹窄、表面化學不均一的路徑網絡。這不是設計出來的,而是“生長”出來的,帶著所有自然造物的偶然與復雜。
“建模參數有了骨架。”秦嶼深吸一口氣,坐回他的工作站前,屏幕上是已經搭建了初步框架的多物理場耦合模擬界面,“但復雜度超綱了。我們需要對每一類典型通道單元進行第一性原理計算,獲取其表面的吸附能、離子遷移勢壘;需要基于這些單元構建更大尺度的網絡模型,用隨機行走或網絡流模擬離子傳輸統計;最后還要耦合到相場模型中,模擬經過這種‘預處理’的離子流在負極表面的沉積傾向。計算量……天文數字。我那幾臺服務器,跑一個簡化版本都得幾周。”
“那就先跑最簡化的。”王誠果斷道,“抓最關鍵的問題:假設鋰離子在穿過這種高迂曲度、具有特定表面化學的納米通道時,其溶劑化鞘結構會被迫調整,部分溶劑分子可能被剝離或取代,離子本身也可能發生短暫的局域化或與通道壁發生弱絡合。這種‘經歷’是否會改變其后續在平坦石墨烯表面的擴散系數、成核勢壘?我們不需要一開始就模擬整個網絡,可以先假設幾種典型的通道單元表面狀態,比如富氧位點、過渡金屬位點,計算鋰離子與其相互作用的可能模式,然后作為輸入邊界條件,給到負極沉積的相場模型。”