研究发现:固体电解质材料的杂质是产生电阻的主要原因

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(图片来源:阿贡官网)

固体电解质材料由几十万个具有不同取向的小晶区(称为晶粒)构成。在燃料电池和电池中,这种材料可以将离子或带电原子从一个电极运送至另一个电极。人们知道,材料中晶粒之间的边界会阻碍离子流过电解质,但是,产生电阻的具体原因仍然难以确定。

据外媒报道,美国能源部阿贡国家实验室的科学家,为西北大学最近领导的一项研究做出了贡献,该研究旨在了解固体电解质材料中的晶界。在研究过程中,科学家们通过电子全息照相术和原子探针层析术两种强大的技术,以前所未有的精度观测边界。所得到的研究结果,为调整材料化学性质提供了新途径,有助于提高材料性能。阿贡材料科学系(MSD)的科学家Charudatta Phatak说:“科学家们研究此类电解质的电导率时,通常会测量所有晶粒和晶界的均等性能。但是,要从战略角度操控材料特性,就需要在单个晶界层面上深入了解电阻的源头。”

为了探讨晶界,科学家们在阿贡纳米材料中心(CNM)利用电子全息照相术,观测普通固体电解质。在这个过程中,电子束击中材料样品,并经历相移,这是由于样品及其周围空间存在局部电场。然后,外部电场使通过样品的部分电子发生偏转,产生干涉图样。科学家们对干涉图样进行分析,以确定材料内部晶界处的电场,这些图样的产生原理,与光学物理中的全息图原理相同。他们测量了不同取向误差下10种晶界的局部电场。

在此之前,科学家们认为,晶界电阻仅仅是由于内部热力学效应而产生的,例如限制电荷在某一区域积累。然而,他们观察到,电场很大而且发生变化。这表明,电阻的材料中存在杂质,这一发现尚属首次。Phatak说:“如果电阻仅仅是由于受到热力学限制而产生的,我们应该看到不同类型的边界都具有相同的场。但是,我们看到了几乎是数量级的差异,因此一定存在另外一个解释。”

为了深入研究微量杂质,科学家们利用西北大学原子探针层析成像中心(NUCAPT)的设施,测定晶界上单个原子的化学特性。这项研究中的电解质材料由铈制成,常用于固体氧化物燃料电池,此前被认为几乎是100%纯净,但是,断层扫描显示,在材料合成过程中存在杂质,包括硅和铝在内。西北大学麦考密克工程学院材料科学与工程学墨菲教授Sossina Haile称:“这一方面表明,如果材料能变得更加纯净,可以减少这些电解质界面问题。然而,考虑到现实情况,其它工业规模样品,不可能比我们准备的样品更干净。”

这些固有杂质以一定方式分散在晶界处,从而使电场跨越边界,阻挡离子流动。杂质对整体电解质电阻产生的影响,与科学家所期望的仅仅从热力学效应中得到的结果非常相似。了解到电阻产生的真正原因在于杂质,可以帮助科学家进行调整。Phatak称:“基于我们的发现,我们可以将元素插入到材料中,使其不受杂质影响,从而降低晶界之间的电阻。”

通过这两种技术,科学家能够对材料体系进行3D可视化研究,并解决围绕晶界特性及其如何在电解质中影响电阻的困惑。新信息可以帮助科学家提高固体电解质的总体效率,改善多种可持续和可再生能源的性能。Haile称:“如果能让离子更有效地穿过固态电解质的界面,电池效率将得到进一步提升。燃料电池也是如此,它更接近于我们所研究的材料体系。有可能真正影响燃料效率,使其在温度不是很高的情况下更容易操作。”

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