Ny teori kan føre til bedre batterier, brændstofceller

En ny teori kan sætte forskere og industri i stand til at justere og forbedre ydeevnen for et materiale kaldet ionisk keramik i genopladelige batterier, brændselsceller og andre energianvendelser.

Ionisk keramik består af mange facetterede "korn", der mødes ved grænser på måder, der påvirker, for eksempel, hvor meget strøm en brændselscelle kan levere eller hvor hurtigt et batteri kan genoplades og hvor længe det kan holde en opladning.

"Min mobiltelefon har et (fast) beløb, og disse korngrænser er en begrænsende faktor, "hvor meget af denne afgift faktisk er nyttig sagde Edwin García, professor i materialeteknik ved Purdue University.

En udfordring i at perfektionere teknologier, der bruger ionisk keramik, er at overvinde de isolerende virkninger af korngrænserne (grænseflader mellem korn), som gennemgår "faseovergange" (strukturelle og elektrokemiske ændringer), og dermed påvirke materialets egenskaber.

"Det er et problem, der har eksisteret inden for keramik i de sidste 40 år, sagde han. Men det var først i de sidste 10 år, da forskere indså, at grænseflader (2-D materialer), ligesom bulkfaser (3-D materialer) kan gennemgå faseovergange.

Arbejder med García, doktorand Suryanarayana Karra Vikrant førte forskning til at udvikle den nye teori, som beskriver, hvad der sker ved grænsefladen mellem de små korn. Værket udvider John Cahns banebrydende forskning i metal, som blev tildelt en 1998 National Medal of Science og var forsker ved Massachusetts Institute of Technology og National Institute of Standards and Technology.

"Teorien viser, at disse grænseflader undergår faseovergange, som ikke var [identificeret som sådan] før, " sagde García.

2-D faseovergangene kan omfatte ændringer i afgift, spænding, og strukturel "lidelse, "som påvirker materialets egenskaber over en 10nm skala, men påvirker ydeevnen, ejendomme, og nedbrydning på makroskalaen.

Teorien blev valideret ved hjælp af yttria-stabiliseret zirconia, eller YSZ, et materiale i fast oxid brændselscelle applikationer. Resultaterne er detaljerede i et forskningspapir, der vises onsdag (20. februar) i Natur tidsskrift Beregningsmaterialer .

Vikrant Karra, en Purdue-studerende lavede et fasediagram, der viser, hvordan korngrænserne gennemgår overgange.

"Fra et grundvidenskabeligt perspektiv, dette arbejde er meget sejt, men det er også relevant for energianvendelser, " sagde García.

For eksempel, han sagde, at være i stand til bedre at konstruere grænsefladekeramik kunne bringe brændselsceller og batterier, der holder en opladning længere og kan oplades hurtigere end nu muligt. Dette skyldes, at grænsefladefaseovergange kan få korngrænserne til at blive isolatorer, forstyrrer et batteris ydeevne.

"Så, denne teori er et første skridt i at tune disse [2-D faser i bulk] keramik, " han sagde.

Teorien gælder ikke kun for YSZ, men også til anden keramik, der kunne bringe solid-state batterier, eller batterier, der ikke indeholder flydende elektrolyt, et fremskridt, der giver forskellige potentielle fordele i forhold til konventionelle lithium-ion-batterier. De ville være lettere og sikrere for elbiler, eliminerer faren for lækage eller brandfarlig elektrolyt under ulykker.

Resultaterne har også implikationer for design af keramik til ferroelektriske og piezotroniske applikationer, der er rettet mod computerhukommelser, energiteknologier og sensorer, der måler spændinger i materialer. Avancerede design kan reducere energiforbruget i disse applikationer.

Fremtidig forskning omfatter arbejde med at demonstrere teorien med eksperimentelle resultater i batterier og lære om den dynamiske adfærd af korngrænseflader.