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    1. 固體電解質材料的雜質是產生電阻的主要原因
      發布時間:2020-05-12 來源:中國無機鹽工業協會     分享到:

      固體電解質材料由幾十萬個具有不同取向的小晶區(稱為晶粒)構成。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,但是,產生電阻的具體原因仍然難以確定。


      據外媒報道,美國能源部阿貢國家實驗室的科學家,為西北大學最近領導的一項研究做出了貢獻,該研究旨在了解固體電解質材料中的晶界。在研究過程中,科學家們通過電子全息照相術和原子探針層析術兩種強大的技術,以前所未有的精度觀測邊界。所得到的研究結果,為調整材料化學性質提供了新途徑,有助于提高材料性能。阿貢材料科學系(MSD)的科學家Charudatta Phatak說:“科學家們研究此類電解質的電導率時,通常會測量所有晶粒和晶界的均等性能。但是,要從戰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。”


      為了探討晶界,科學家們在阿貢納米材料中心(CNM)利用電子全息照相術,觀測普通固體電解質。在這個過程中,電子束擊中材料樣品,并經歷相移,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生偏轉,產生干涉圖樣。科學家們對干涉圖樣進行分析,以確定材料內部晶界處的電場,這些圖樣的產生原理,與光學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,科學家們認為,晶界電阻僅僅是由于內部熱力學效應而產生的,例如限制電荷在某一區域積累。然而,他們觀察到,電場很大而且發生變化。這表明,電阻的材料中存在雜質,這一發現尚屬首次。Phatak說:“如果電阻僅僅是由于受到熱力學限制而產生的,我們應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,科學家們利用西北大學原子探針層析成像中心(NUCAPT)的設施,測定晶界上單個原子的化學特性。這項研究中的電解質材料由鈰制成,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,包括硅和鋁在內。西北大學麥考密克工程學院材料科學與工程學墨菲教授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界面問題。然而,考慮到現實情況,其它工業規模樣品,不可能比我們準備的樣品更干凈。”


      這些固有雜質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。雜質對整體電解質電阻產生的影響,與科學家所期望的僅僅從熱力學效應中得到的結果非常相似。了解到電阻產生的真正原因在于雜質,可以幫助科學家進行調整。Phatak稱:“基于我們的發現,我們可以將元素插入到材料中,使其不受雜質影響,從而降低晶界之間的電阻。”


      通過這兩種技術,科學家能夠對材料體系進行3D可視化研究,并解決圍繞晶界特性及其如何在電解質中影響電阻的困惑。新信息可以幫助科學家提高固體電解質的總體效率,改善多種可持續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電解質的界面,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。”


      來源:中國粉體網


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