固體電解質(zhì)材料由幾十萬個具有不同取向的小晶區(qū)（稱為晶粒）構(gòu)成。在燃料電池和電池中，這種材料可以將離子或帶電原子從一個電極運送至另一個電極。人們知道，材料中晶粒之間的邊界會阻礙離子流過電解質(zhì)，但是，產(chǎn)生電阻的具體原因仍然難以確定。
據(jù)外媒報道，美國能源部阿貢國家實驗室的科學(xué)家，為西北大學(xué)最近領(lǐng)導(dǎo)的一項研究做出了貢獻，該研究旨在了解固體電解質(zhì)材料中的晶界。在研究過程中，科學(xué)家們通過電子全息照相術(shù)和原子探針層析術(shù)兩種強大的技術(shù)，以前所未有的精度觀測邊界。所得到的研究結(jié)果，為調(diào)整材料化學(xué)性質(zhì)提供了新途徑，有助于提高材料性能。阿貢材料科學(xué)系（MSD）的科學(xué)家Charudatta Phatak說：“科學(xué)家們研究此類電解質(zhì)的電導(dǎo)率時，通常會測量所有晶粒和晶界的均等性能。但是，要從戰(zhàn)略角度操控材料特性，就需要在單個晶界層面上深入了解電阻的源頭?！?/span>
為了探討晶界，科學(xué)家們在阿貢納米材料中心（CNM）利用電子全息照相術(shù)，觀測普通固體電解質(zhì)。在這個過程中，電子束擊中材料樣品，并經(jīng)歷相移，這是由于樣品及其周圍空間存在局部電場。然后，外部電場使通過樣品的部分電子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生干涉圖樣。科學(xué)家們對干涉圖樣進行分析，以確定材料內(nèi)部晶界處的電場，這些圖樣的產(chǎn)生原理，與光學(xué)物理中的全息圖原理相同。他們測量了不同取向誤差下10種晶界的局部電場。
在此之前，科學(xué)家們認為，晶界電阻僅僅是由于內(nèi)部熱力學(xué)效應(yīng)而產(chǎn)生的，例如限制電荷在某一區(qū)域積累。然而，他們觀察到，電場很大而且發(fā)生變化。這表明，電阻的材料中存在雜質(zhì)，這一發(fā)現(xiàn)尚屬首次。Phatak說：“如果電阻僅僅是由于受到熱力學(xué)限制而產(chǎn)生的，我們應(yīng)該看到不同類型的邊界都具有相同的場。但是，我們看到了幾乎是數(shù)量級的差異，因此一定存在另外一個解釋。”
為了深入研究微量雜質(zhì)，科學(xué)家們利用西北大學(xué)原子探針層析成像中心（NUCAPT）的設(shè)施，測定晶界上單個原子的化學(xué)特性。這項研究中的電解質(zhì)材料由鈰制成，常用于固體氧化物燃料電池，此前被認為幾乎是100%純凈，但是，斷層掃描顯示，在材料合成過程中存在雜質(zhì)，包括硅和鋁在內(nèi)。西北大學(xué)麥考密克工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)墨菲教授Sossina Haile稱：“這一方面表明，如果材料能變得更加純凈，可以減少這些電解質(zhì)界面問題。然而，考慮到現(xiàn)實情況，其它工業(yè)規(guī)模樣品，不可能比我們準備的樣品更干凈?！?/span>
這些固有雜質(zhì)以一定方式分散在晶界處，從而使電場跨越邊界，阻擋離子流動。雜質(zhì)對整體電解質(zhì)電阻產(chǎn)生的影響，與科學(xué)家所期望的僅僅從熱力學(xué)效應(yīng)中得到的結(jié)果非常相似。了解到電阻產(chǎn)生的真正原因在于雜質(zhì)，可以幫助科學(xué)家進行調(diào)整。Phatak稱：“基于我們的發(fā)現(xiàn)，我們可以將元素插入到材料中，使其不受雜質(zhì)影響，從而降低晶界之間的電阻。”
通過這兩種技術(shù)，科學(xué)家能夠?qū)Σ牧象w系進行3D可視化研究，并解決圍繞晶界特性及其如何在電解質(zhì)中影響電阻的困惑。新信息可以幫助科學(xué)家提高固體電解質(zhì)的總體效率，改善多種可持續(xù)和可再生能源的性能。Haile稱：“如果能讓離子更有效地穿過固態(tài)電解質(zhì)的界面，電池效率將得到進一步提升。燃料電池也是如此，它更接近于我們所研究的材料體系。有可能真正影響燃料效率，使其在溫度不是很高的情況下更容易操作?！?/span>
來源：中國粉體網(wǎng)