En ny teori skulle kunna göra det möjligt för forskare och industri att ställa in och förbättra prestandan hos ett material som kallas jonisk keramik i laddningsbara batterier, bränsleceller och andra energitillämpningar.

Jonisk keramik består av många fasetterade "korn" som möts vid gränser på sätt som påverkar, till exempel, hur mycket kraft en bränslecell kan leverera eller hur snabbt ett batteri kan laddas och hur länge det kan hålla en laddning.

"Min mobiltelefon har ett (fast) laddningsbelopp, och dessa korngränser är en begränsande faktor, " till hur mycket av den avgiften som verkligen är användbar sa Edwin García, professor i materialteknik vid Purdue University.

En utmaning i att fullända teknologier som använder jonisk keramik är att övervinna de isolerande effekterna av korngränserna (gränssnitt mellan korn), som genomgår "fasövergångar" (strukturella och elektrokemiska förändringar), vilket påverkar materialegenskaperna.

"Det är ett problem som har funnits inom keramikområdet under de senaste 40 åren, sade han. Men det var inte förrän under de senaste 10 åren när forskare insåg att gränssnitt (2D-material), precis som bulkfaser (3D-material) kan genomgå fasövergångar.

Jobbar med García, doktoranden Suryanarayana Karra Vikrant ledde forskning för att utveckla den nya teorin, som beskriver vad som händer i gränsytan mellan de små kornen. Arbetet utökar John Cahns banbrytande forskning för metall, som belönades med en 1998 National Medal of Science och var forskare vid Massachusetts Institute of Technology och National Institute of Standards and Technology.

"Teorin visar att dessa gränssnitt genomgår fasövergångar, som inte hade [identifierats som sådan] tidigare, sa García.

2D-fasövergångarna kan inkludera förändringar i laddning, Spänning, och strukturell "störning, "som påverkar materialets egenskaper över en 10nm skala, men påverkar prestanda, egenskaper, och nedbrytning på makroskalan.

Teorin validerades med yttriumoxidstabiliserad zirkoniumoxid, eller YSZ, ett material i bränslecellsapplikationer med fast oxid. Resultaten är detaljerade i ett forskningsdokument som visas onsdagen (20 februari) i Natur tidning Beräkningsmaterial .

Vikrant Karra, en Purdue-student skapade ett fasdiagram som visar hur korngränserna genomgår övergångar.

"Ur ett grundvetenskapligt perspektiv, det här arbetet är väldigt coolt, men det är också relevant för energitillämpningar, sa García.

Till exempel, han sa, att bättre kunna konstruera gränssnittskeramik skulle kunna ge bränsleceller och batterier som håller en laddning längre och kan laddas snabbare än nu möjligt. Detta beror på att fasövergångar i gränssnitt kan göra att korngränserna blir isolatorer, stör ett batteris prestanda.

"Så, denna teori är ett första steg i att trimma dessa [2D-faser i bulk] keramik, " han sa.

Teorin gäller inte bara YSZ, men också till annan keramik som kan ge solid state-batterier, eller batterier som inte innehåller någon flytande elektrolyt, ett framsteg som erbjuder olika potentiella fördelar jämfört med konventionella litiumjonbatterier. De skulle vara lättare och säkrare för elfordon, eliminerar risken för läckage eller brandfarlig elektrolyt vid olyckor.

Fynden har också konsekvenser för designen av keramik för ferroelektriska och piezotroniska tillämpningar, som är inriktade på datorminnen, energiteknik och sensorer som mäter spänningar i material. Avancerade konstruktioner kan minska energiförbrukningen i dessa applikationer.

Framtida forskning inkluderar arbete för att demonstrera teorin med experimentella resultat i batterier och för att lära sig om det dynamiska beteendet hos korngränssnitt.