Een nieuwe theorie zou onderzoekers en de industrie in staat kunnen stellen om de prestaties van een materiaal genaamd ionisch keramiek in oplaadbare batterijen af ​​te stemmen en te verbeteren. brandstofcellen en andere energietoepassingen.

Ionische keramiek bestaat uit vele gefacetteerde "korrels" die bij grenzen samenkomen op manieren die van invloed zijn, bijvoorbeeld, hoeveel vermogen een brandstofcel kan leveren of hoe snel een batterij kan worden opgeladen en hoe lang deze een lading kan vasthouden.

"Mijn mobiele telefoon heeft een (vaste) lading, en die korrelgrenzen zijn een beperkende factor, " voor hoeveel van die aanklacht is inderdaad nuttig zei Edwin García, een professor in materiaalkunde aan de Purdue University.

Een uitdaging bij het perfectioneren van technologieën die ionische keramiek gebruiken, is het overwinnen van de isolerende effecten van de korrelgrenzen (interfaces tussen korrels), die "faseovergangen" ondergaan (structurele en elektrochemische veranderingen), waardoor de materiaaleigenschappen worden beïnvloed.

"Het is een probleem dat al 40 jaar bestaat op het gebied van keramiek, "zei hij. Echter, pas in de afgelopen 10 jaar realiseerden wetenschappers zich dat interfaces (2-D-materialen), net zoals bulkfasen (3-D materialen) faseovergangen kunnen ondergaan.

Werken met Garcia, promovendus Suryanarayana Karra Vikrant leidde onderzoek om de nieuwe theorie te ontwikkelen, die beschrijft wat er gebeurt op het grensvlak tussen de kleine korrels. Het werk breidt het baanbrekende onderzoek van John Cahn voor metaal, die in 1998 een National Medal of Science ontving en onderzoeker was aan het Massachusetts Institute of Technology en het National Institute of Standards and Technology.

"De theorie laat zien dat deze interfaces faseovergangen ondergaan, die niet eerder [als zodanig geïdentificeerd] waren, ' zei Garcia.

De 2-D faseovergangen kunnen veranderingen in de leiding, Spanning, en structurele "stoornis, " die de eigenschappen van het materiaal over een schaal van 10 nm beïnvloedt, maar de prestaties beïnvloeden, eigendommen, en degradatie op macroschaal.

De theorie werd gevalideerd met behulp van yttria-gestabiliseerd zirkonia, of YSZ, een materiaal in vaste oxide brandstofcel toepassingen. De bevindingen worden gedetailleerd beschreven in een onderzoekspaper die woensdag (20 februari) verschijnt in de Natuur logboek Computermaterialen .

Vikrant Karra, een Purdue-student maakte een fasediagram dat laat zien hoe de korrelgrenzen overgangen ondergaan.

"Vanuit een fundamenteel-wetenschappelijk perspectief, dit werk is erg cool, maar het is ook relevant voor energietoepassingen, ' zei Garcia.

Bijvoorbeeld, hij zei, Als we in staat zijn om grensvlakkeramiek beter te ontwikkelen, zouden brandstofcellen en batterijen kunnen ontstaan ​​die langer kunnen worden opgeladen en sneller kunnen worden opgeladen dan nu mogelijk is. Dit komt omdat faseovergangen op het grensvlak ervoor kunnen zorgen dat de korrelgrenzen isolatoren worden, die de prestaties van een batterij verstoort.

"Dus, deze theorie is een eerste stap in het afstemmen van deze [2-D fasen in bulk] keramiek, " hij zei.

De theorie is niet alleen van toepassing op YSZ, maar ook naar ander keramiek dat solid-state batterijen zou kunnen opleveren, of batterijen die geen vloeibaar elektrolyt bevatten, een vooruitgang die verschillende potentiële voordelen biedt ten opzichte van conventionele lithium-ionbatterijen. Ze zouden lichter en veiliger zijn voor elektrische voertuigen, waardoor het gevaar van lekkage of ontvlambare elektrolyt tijdens ongevallen wordt geëlimineerd.

De bevindingen hebben ook implicaties voor het ontwerp van keramiek voor ferro-elektrische en piëzotronische toepassingen, die gericht zijn op computergeheugens, energietechnologieën en sensoren die spanningen in materialen meten. Geavanceerde ontwerpen kunnen het energieverbruik in deze toepassingen verminderen.

Toekomstig onderzoek omvat werk om de theorie te demonstreren met experimentele resultaten in batterijen en om meer te weten te komen over het dynamische gedrag van graaninterfaces.