Het verminderen van de weerstand tegen de ionenstroom in vaste elektrolyten kan de efficiëntie van brandstofcellen en batterijen verbeteren, maar eerst, wetenschappers moeten de materiaaleigenschappen begrijpen die verantwoordelijk zijn voor de weerstand.

Vaste elektrolytmaterialen bestaan ​​uit honderdduizenden kleine kristallijne gebieden, genaamd granen, met verschillende oriëntaties. De materialen, gebruikt in brandstofcellen en batterijen, transport ionen, of geladen atomen, van de ene elektrode naar de andere elektrode. Van grenzen tussen de korrels in de materialen is bekend dat ze de stroom van ionen door de elektrolyt belemmeren, maar de exacte eigenschappen die deze resistentie veroorzaken, zijn ongrijpbaar gebleven.

Wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben bijgedragen aan een recent onderzoek onder leiding van de Northwestern University om korrelgrenzen in een vast elektrolytmateriaal te onderzoeken. De studie omvatte twee krachtige technieken - elektronenholografie en atoomsondetomografie - waarmee wetenschappers de grenzen op een ongekend kleine schaal konden observeren. De resulterende inzichten bieden nieuwe mogelijkheden voor het afstemmen van chemische eigenschappen in het materiaal om de prestaties te verbeteren.

"Als wetenschappers de geleidbaarheid van deze elektrolyten bestuderen, ze meten doorgaans de gemiddelde prestatie van alle korrels en korrelgrenzen samen, " zei Charudatta Phatak, een wetenschapper in de Materials Science Division (MSD) van Argonne, "Maar het strategisch manipuleren van de materiaaleigenschappen vereist diepgaande kennis van de oorsprong van de weerstand op het niveau van individuele korrelgrenzen."

Om de korrelgrenzen te verkennen, de wetenschappers voerden elektronenholografie uit van een gewone vaste elektrolyt in Argonne's Center for Nanoscale Materials (CNM), een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit. In dit proces, een bundel elektronen raakt een dun monster van het materiaal en ervaart een faseverschuiving door de aanwezigheid van een lokaal elektrisch veld in en eromheen. Een extern elektrisch veld zorgt er dan voor dat een deel van de elektronen die door het monster gaan, wordt afgebogen, het creëren van een interferentiepatroon.

De wetenschappers analyseerden deze interferentiepatronen, gemaakt op dezelfde principes als hologrammen in optische fysica, om het elektrische veld binnen het materiaal bij de korrelgrenzen te bepalen. Ze maten de lokale elektrische velden bij tien soorten korrelgrenzen met verschillende graden van verkeerde oriëntatie.

Voorafgaand aan deze studie, wetenschappers dachten dat resistentie bij korrelgrenzen alleen ontstond door interne thermodynamische effecten, zoals de limiet voor de opbouw van lading in een gebied. Echter, de grote en gevarieerde elektrische velden die ze waarnamen, wezen op het bestaan ​​van voorheen onontdekte onzuiverheden in het materiaal die de weerstand verklaren.

"Als de weerstand alleen te wijten was aan thermodynamische limieten, we hadden dezelfde velden over verschillende grenstypen moeten zien, " zei Phatak, "maar aangezien we verschillen van bijna een orde van grootte zagen, er moest een andere verklaring zijn."

Om de sporenonzuiverheden verder te bestuderen, de wetenschappers gebruikten het Northwestern University Center for Atom Probe Tomography (NUCAPT) om de chemische identiteit van individuele atomen aan de korrelgrenzen te bepalen. Het elektrolytmateriaal in de studie, gemaakt van ceria en vaak gebruikt in vaste oxide brandstofcellen, werd verondersteld bijna volledig zuiver te zijn, maar de tomografie onthulde het bestaan ​​van onzuiverheden, waaronder silicium en aluminium, geproduceerd tijdens materiaalsynthese.

"Aan de ene kant, het laat zien dat als je je materialen schoner maakt, u kunt deze grensvlakproblemen verminderen met elektrolyten, " zei Sossina Haile, Walter. P. Murphy hoogleraar materiaalkunde en techniek aan de McCormick School of Engineering van Northwestern. "Maar realistisch gezien je kunt een monster op industriële schaal niet schoner maken dan wat we hadden voorbereid."

Deze inherente onzuiverheden zijn zo geconfigureerd aan de korrelgrenzen dat de elektrische velden over de grenzen de stroom van ionen weerstaan. De voetafdrukken die de onzuiverheden achterlaten op de algehele weerstand van de elektrolyt lijken sterk op wat wetenschappers zouden verwachten van alleen thermodynamische effecten. Het begrijpen van de ware oorzaak van de weerstand - de onzuiverheden - kan de wetenschappers helpen om ervoor te corrigeren.

"Op basis van onze bevindingen we kunnen opzettelijk elementen in het materiaal invoegen die de effecten van de onzuiverheden tenietdoen, het verlagen van de weerstand aan de korrelgrenzen, ’ zei Phatak.

Financiering van de studie, gedeeltelijk, kwam van een Northwestern-Argonne Early Career Investigator Award for Energy Research toegekend aan Phatak. Het programma, die werd geëvenaard door fondsen van het Institute of Sustainable Energy in Northwestern, bevorderde een samenwerking tussen Phatak en Haile en ondersteunde de Noordwest-afgestudeerde student Xin Xu, eerste auteur van het onderzoek.

Het gebruik van deze twee technieken stelde wetenschappers in staat om de systemen in 3D te visualiseren en verwarring op te lossen rond de eigenschappen van korrelgrenzen en hoe deze de weerstand in deze elektrolyt beïnvloeden. De nieuwe informatie zou wetenschappers kunnen helpen om de efficiëntie van vaste elektrolyten in het algemeen te verhogen, die zouden kunnen helpen om de prestaties van vele soorten duurzame en hernieuwbare energiebronnen te verbeteren.

"Als ionen effectiever over de grensvlakken van deze elektrolyten in vaste toestand kunnen bewegen, batterijen zullen veel efficiënter worden, "Zei Haile. "Hetzelfde geldt voor brandstofcellen, dat dichter bij het materiële systeem staat dat we hebben bestudeerd. 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 Natuurmaterialen .