科学家发现了固体电解质中产生电阻的主要原因

时间:2020-04-25 18:14 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

科学家发现了固体电解质中产生电阻的主要原因

降低固体电解质中离子流动的阻力可以提高燃料电池和电池的效率,但首先,科学家必须了解造成这种阻力的材料特性。

固体电解质材料由成千上万的小晶体区域组成,这些小晶体区域称为晶粒,具有不同的方向。用于燃料电池和电池的材料将离子或带电原子从一个电极传输到另一个电极。众所周知,材料中颗粒之间的边界会阻碍离子通过电解质的流动,但造成这种阻力的确切性质仍不清楚。

美国能源部阿贡国家实验室的科学家们最近参与了由西北大学领导的一项研究,研究固体电解质材料的晶界。这项研究使用了两种强大的技术——电子全息术和原子探针层析术——这两种技术使科学家能够以前所未有的小尺度观察边界。由此产生的见解为调整材料的化学性质以提高性能提供了新的途径。

“科学家研究这些电解质的电导率时,他们通常测量的平均表现的所有谷物和晶界在一起,“说Charudatta Phatak,科学家在阿贡的材料科学部门(MSD),“但战略操纵的物质属性需要深入了解的起源在单个颗粒边界的水平阻力。”

为了探索晶界,科学家们在美国能源部的纳米材料中心(CNM)对一种常见的固体电解质进行了电子全息照相。在这个过程中,一束电子击中材料的薄样品,并由于其内部和周围的局部电场的存在而发生相移。然后,外加电场使通过样品的部分电子发生偏转,形成干涉图样。

科学家们分析了这些干涉图样,以确定在晶界处材料内部的电场。干涉图样与光学物理学中的全息图原理相同。他们测量了十种不同取向度的晶界局部电场。

在这项研究之前,科学家们认为在晶界处产生的阻力仅仅是内部热力学作用的结果,比如一个区域内电荷积聚的极限。然而,他们观察到的巨大而变化的电场表明,在材料中存在以前未被发现的杂质,这解释了电阻的存在。

“如果阻力仅仅是由于热力学的限制,我们应该在不同的边界类型上看到同样的场,”Phatak说,“但是既然我们看到了几乎一个数量级的差异,那就必须有另一种解释。”

科学家发现了固体电解质中产生电阻的主要原因

为了进一步研究痕量杂质,科学家们利用美国西北大学原子探针断层扫描中心(NUCAPT)来确定晶界处单个原子的化学特性。研究中的电解质材料由二氧化铈制成,经常用于固体氧化物燃料电池,被认为几乎是完全纯净的,但断层扫描发现在材料合成过程中存在杂质,包括硅和铝。

“一方面,这表明如果你使你的材料更清洁,你可以减少这些电解质的界面问题,”Sossina Haile, Walter说。西北大学麦考密克工程学院材料科学与工程教授。“但实际上,你无法用工业规模的清洁剂制造出比我们准备的还要干净的样品。”

这些固有的杂质在晶界以一种使穿过晶界的电场阻止离子流动的方式被配置。杂质在电解液的总电阻上留下的脚印,与科学家仅从热力学效应得出的结论非常相似。了解抗药性的真正原因——不洁净——可以帮助科学家纠正它。

法塔克说:“根据我们的发现,我们可以有意地在材料中加入元素来抵消杂质的影响,降低晶界处的电阻。”

这项研究的部分资金来自于法塔克获得的西北-阿贡早期职业研究员能源研究奖(Northwestern-Argonne Early Career Investigator Award for Energy Research)。该项目得到了西北大学可持续能源研究所(Institute of Sustainable Energy at Northwestern)的资助,促进了法塔克和海勒的合作,并支持了西北大学研究生徐昕(音译),他是这项研究的第一作者。

这两种技术的使用使科学家能够在三维可视化系统,并解决围绕晶界特性及其如何影响这种电解质中的电阻的困惑。这些新信息可以帮助科学家提高固体电解质的效率,从而帮助改善许多可持续和可再生能源的性能。

“如果离子能更有效地穿过这些固态电解质的界面,电池的效率将会大大提高,”海勒说。“燃料电池也是如此,它更接近我们研究的材料系统。在温度不是特别高的情况下更容易操作,这可能会真正影响燃料效率。”

4月13日,《自然材料》杂志发表了一篇题为《用电子全息术和原子探针层析术探测到的晶界电势的变化和起源》的论文。

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