Att minska motståndet mot jonflödet i fasta elektrolyter kan förbättra effektiviteten hos bränsleceller och batterier, men först, forskare måste förstå de materialegenskaper som är ansvariga för motståndet.

Fasta elektrolytmaterial består av hundratusentals små kristallina regioner, kallas korn, med olika inriktningar. Materialen, används i bränsleceller och batterier, transportjoner, eller laddade atomer, från en elektrod till den andra elektroden. Gränser mellan kornen i materialen är kända för att hindra flödet av joner genom elektrolyten, men de exakta egenskaperna som orsakar detta motstånd har förblivit svårfångade.

Forskare från US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory bidrog till en ny studie som leds av Northwestern University för att undersöka spannmålsgränser i ett fast elektrolytmaterial. Studien involverade två kraftfulla tekniker - elektronholografi och atomprobstomografi - som gjorde det möjligt för forskare att observera gränserna i en oöverträffad liten skala. Den resulterande insikten ger nya vägar för att justera kemiska egenskaper i materialet för att förbättra prestanda.

"När forskare studerar konduktiviteten hos dessa elektrolyter, de mäter vanligtvis den genomsnittliga prestandan för alla spannmål och spannmålsgränser tillsammans, "sa Charudatta Phatak, en forskare vid Argonne's Materials Science Division (MSD), "men för att strategiskt manipulera materialegenskaperna krävs djup kunskap om motståndets ursprung på nivån för individuella spannmålsgränser."

För att utforska spannmålsgränserna, forskarna utförde elektronholografi av en vanlig fast elektrolyt vid Argonnes Center for Nanoscale Materials (CNM), en DOE Office of Science User Facility. I denna process, en elektronstråle träffar ett tunt prov av materialet och upplever ett fasskifte på grund av närvaron av ett lokalt elektriskt fält i och runt det. Ett externt elektriskt fält gör att en del av elektronerna som passerar genom provet avböjs, skapa ett störningsmönster.

Forskarna analyserade dessa störningsmönster, skapad på samma principer som hologram inom optisk fysik, för att bestämma det elektriska fältet inuti materialet vid spannmålsgränserna. De mätte de lokala elektriska fälten vid tio typer av spannmålsgränser med olika grader av felorientering.

Innan denna studie, forskare trodde att motstånd vid sädesgränser uppstod på grund av enbart interna termodynamiska effekter, t.ex. gränsen för avgiftsuppbyggnad i ett område. Dock, de stora och varierade elektriska fälten de observerade indikerade förekomsten av tidigare oupptäckta föroreningar i materialet som förklarar motståndet.

"Om motståndet bara berodde på termodynamiska gränser, vi borde ha sett samma fält över olika gränstyper, "sade Phatak, "men eftersom vi såg skillnader av nästan en storleksordning, det måste finnas en annan förklaring. "

För att ytterligare studera spårföroreningar, forskarna använde Northwestern University Center for Atom Probe Tomography (NUCAPT) för att bestämma den kemiska identiteten hos enskilda atomer vid spannmålsgränserna. Elektrolytmaterialet i studien, tillverkad av ceria och används ofta i bränsleceller i fastoxid, ansågs vara nästan helt ren, men tomografin avslöjade förekomsten av föroreningar inklusive kisel och aluminium - producerade under materialsyntes.

"Å ena sidan, det visar att om du gör dina material renare, du kan minska dessa gränssnittsproblem med elektrolyter, sa Sossina Haile, Walter. P. Murphy Professor i materialvetenskap och teknik vid Northwestern McCormick School of Engineering. "Realistiskt dock du kan inte göra ett prov på en renare industriell skala än vad vi hade förberett. "

Dessa inneboende föroreningar konfigureras vid spannmålsgränserna på ett sätt som får de elektriska fälten över gränserna att motstå jonflödet. De fotavtryck som orenheterna lämnar på elektrolytens övergripande motstånd liknar mycket vad forskare skulle förvänta sig av enbart termodynamiska effekter. Att förstå den verkliga orsaken till motståndet - orenheterna - kan hjälpa forskarna att rätta till det.

"Baserat på våra resultat vi kan avsiktligt sätta in element i materialet som förnekar effekterna av föroreningar, sänka motståndet vid spannmålsgränserna, sa Phatak.

Finansiering för studien, till viss del, kom från ett Northwestern-Argonne Early Career Investigator Award for Energy Research tilldelat Phatak. Programmet, som matchades av medel från Institute of Sustainable Energy i Northwestern, främjade ett samarbete mellan Phatak och Haile och stödde nordvästra doktoranden Xin Xu, första författare till studien.

Användningen av dessa två tekniker gjorde det möjligt för forskare att visualisera systemen i 3D och att lösa förvirring kring egenskaperna hos spannmålsgränser och hur de påverkar motståndet i denna elektrolyt. The new information could help scientists to increase the efficiency of solid electrolytes in general, which could help to improve the performance of many types of sustainable and renewable energy sources.

"If ions can move across the interfaces of these solid-state electrolytes more effectively, batteries will become much more efficient, " Haile said. "The same is true of fuel cells, which is closer to the material system we studied. 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 Naturmaterial .