Forskere afslører hovedårsagen til resistens i faste elektrolytter

Reduktion af modstanden mod ionstrømmen i faste elektrolytter kan forbedre effektiviteten af ​​brændselsceller og batterier, men først, videnskabsmænd skal forstå de materialeegenskaber, der er ansvarlige for resistensen.

Faste elektrolytmaterialer består af hundredtusindvis af små krystallinske områder, kaldet korn, med forskellige orienteringer. Materialerne, bruges i brændselsceller og batterier, transport ioner, eller ladede atomer, fra den ene elektrode til den anden elektrode. Grænser mellem kornene i materialerne er kendt for at hindre ionstrømmen gennem elektrolytten, men de nøjagtige egenskaber, der forårsager denne modstand, er forblevet uhåndgribelige.

Forskere fra U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory bidrog til en nylig undersøgelse ledet af Northwestern University for at undersøge korngrænser i et fast elektrolytmateriale. Undersøgelsen involverede to kraftfulde teknikker - elektronholografi og atomsondetomografi - der gjorde det muligt for forskere at observere grænserne i en hidtil uset lille skala. Den resulterende indsigt giver nye muligheder for at justere kemiske egenskaber i materialet for at forbedre ydeevnen.

"Når forskere studerer ledningsevnen af ​​disse elektrolytter, de måler typisk den gennemsnitlige ydeevne af alle korn og korngrænser sammen, " sagde Charudatta Phatak, en videnskabsmand i Argonnes Materials Science Division (MSD), "men strategisk manipulation af materialets egenskaber kræver dyb viden om oprindelsen af ​​modstanden på niveau med individuelle korngrænser."

For at udforske korngrænserne, forskerne udførte elektronholografi af en almindelig fast elektrolyt ved Argonne's Center for Nanoscale Materials (CNM), en DOE Office of Science brugerfacilitet. I denne proces, en elektronstråle rammer en tynd prøve af materialet og oplever et faseskift på grund af tilstedeværelsen af ​​et lokalt elektrisk felt i og omkring det. Et eksternt elektrisk felt forårsager derefter, at en del af elektronerne, der passerer gennem prøven, afbøjes, skabe et interferensmønster.

Forskerne analyserede disse interferensmønstre, skabt efter de samme principper som hologrammer i optisk fysik, at bestemme det elektriske felt inde i materialet ved korngrænserne. De målte de lokale elektriske felter ved ti typer korngrænser med forskellige grader af fejlorientering.

Før denne undersøgelse, videnskabsmænd troede, at modstand ved korngrænser opstod på grund af interne termodynamiske effekter alene, såsom grænsen for opbygning af ladning i et område. Imidlertid, de store og varierede elektriske felter, de observerede, indikerede eksistensen af ​​tidligere uopdagede urenheder i materialet, der forklarer modstanden.

"Hvis modstanden kun skyldtes termodynamiske grænser, vi skulle have set de samme felter på tværs af forskellige grænsetyper, " sagde Phatak, "men da vi så forskelle af næsten en størrelsesorden, der måtte være en anden forklaring."

For yderligere at studere sporurenheder, forskerne brugte Northwestern University Center for Atom Probe Tomography (NUCAPT) til at bestemme den kemiske identitet af individuelle atomer ved korngrænserne. Elektrolytmaterialet i undersøgelsen, lavet af ceriumoxid og ofte brugt i fastoxidbrændselsceller, blev anset for at være næsten fuldstændig ren, men tomografien afslørede eksistensen af ​​urenheder, herunder silicium og aluminium - produceret under materialesyntese.

"På den ene side, det viser, at hvis du gør dine materialer renere, du kan mindske disse grænsefladeproblemer med elektrolytter, " sagde Sossina Haile, Walter. P. Murphy professor i materialevidenskab og teknik ved Northwesterns McCormick School of Engineering. "Realistisk dog du kan ikke lave en prøve i industriel skala, der er renere end det, vi havde forberedt."

Disse iboende urenheder er konfigureret ved korngrænserne på en måde, der får de elektriske felter på tværs af grænserne til at modstå ionstrømmen. De fodspor, som urenhederne efterlader på elektrolyttens samlede modstand, ligner meget, hvad forskerne ville forvente af termodynamiske effekter alene. At forstå den sande årsag til resistensen – urenhederne – kan hjælpe forskerne med at korrigere for den.

"Baseret på vores resultater, vi kan med vilje indsætte elementer i materialet, der ophæver virkningerne af urenhederne, sænke modstanden ved korngrænserne, " sagde Phatak.

Finansiering af studiet, delvis, kom fra en Northwestern-Argonne Early Career Investigator Award for Energy Research tildelt Phatak. Programmet, som blev modsvaret af midler fra Institute of Sustainable Energy at Northwestern, fremmet et samarbejde mellem Phatak og Haile og støttet den nordvestlige kandidatstuderende Xin Xu, første forfatter på undersøgelsen.

Brugen af ​​disse to teknikker gjorde det muligt for forskere at visualisere systemerne i 3-D og at løse forvirring omkring egenskaberne af korngrænser, og hvordan de påvirker modstanden i denne elektrolyt. De nye oplysninger kan hjælpe forskere med at øge effektiviteten af ​​faste elektrolytter generelt, som kunne bidrage til at forbedre ydeevnen for mange typer af bæredygtige og vedvarende energikilder.

"Hvis ioner kan bevæge sig over grænsefladerne mellem disse faststofelektrolytter mere effektivt, batterier bliver meget mere effektive, " sagde Haile. "Det samme gælder for brændselsceller, hvilket er tættere på det materialesystem, vi studerede. There's a potential to really impact fuel efficiency by making it easier to operate at temperatures that aren't extremely high."

A study, titled "Variability and origins of grain boundary electric potential detected by electron holography and atom-probe tomography, " was published on April 13 in Naturmaterialer .