固体电解质电阻有哪些主要原因?

固体电解质材料由成千上万个具有不同方向的小晶粒(称为晶粒)组成。燃料电池和电池中使用的材料将离子或带电原子从一个电极传输到另一个电极。已知材料中晶粒之间的边界会阻止离子流过电解质,但是导致这种电阻的确切属性仍然难以捉摸。

电解质材料

美国能源部(DOE)阿贡国家实验室的科学家为西北大学领导的一项最新研究做出了贡献,该研究旨在研究固体电解质材料中的晶界。该研究涉及两种强大的技术-电子全息照相术和原子探针断层照相术-使科学家能够以前所未有的小规模观察边界。由此产生的见解为调节材料的化学性质以改善性能提供了新途径。

阿贡大学材料科学系(MSD)的科学家Charudatta Phatak说:“当科学家研究这些电解质的电导率时,它们通常会一起测量所有晶粒和晶界的平均性能,但是从战略上操纵材料的性能需要对单个晶界水平上的电阻起因的深刻了解。”

为了探索晶界,科学家在美国能源部科学用户设施办公室阿贡的纳米级材料中心(CNM)对普通固体电解质进行了电子全息照相。在此过程中,由于电子束中和周围存在局部电场,因此电子束撞击材料的薄样品并发生相移。然后,外部电场会使通过样品的一部分电子偏转,从而形成干涉图样。

科学家分析了这些干涉图样,以确定它们与光学物理学中的全息图相同的原理,以确定晶界处材料内部的电场。他们测量了取向不同程度的十种晶界处的局部电场。

电解质电阻研究

在进行这项研究之前,科学家们认为,仅由于内部热力学效应(例如某个区域电荷积聚的限制)而在晶界产生了电阻。但是,他们观察到的大而变化的电场表明材料中存在以前未发现的杂质,这些杂质可以解释电阻。

“如果电阻仅是由于热力学极限引起的,我们应该在不同的边界类型上看到相同的磁场,” Phatak说,“但是由于我们看到的差异几乎是一个数量级,因此必须进行另一种解释。”

为了进一步研究痕量杂质,科学家使用了西北大学原子探针层析成像中心(NUCAPT)来确定晶界上单个原子的化学身份。该研究中的电解质材料由二氧化铈制成,通常用于固体氧化物燃料电池,被认为几乎是完全纯净的,但断层扫描显示材料合成过程中会产生包括硅和铝在内的杂质。

“一方面,它表明,如果您使材料更清洁,则可以减少电解质的这些界面问题,”沃尔特(Walter)的Sossina Haile说。P. Murphy西北麦考密克工程学院材料科学与工程教授。“实际上,您不能在工业规模的清洁器上制造出比我们准备的样品还要好的样品。”

这些固有的杂质在晶界处被配置成使得穿过晶界的电场阻止离子流。杂质留在电解质总电阻上的足迹与科学家仅从热力学效应中得出的预期非常相似。了解电阻抗的真正原因-杂质-可以帮助科学家进行校正。

“根据我们的发现,我们可以有意地将元素插入材料中,以消除杂质的影响,从而降低晶界处的电阻,” Phatak说。

研究表明

这项研究的资金部分来自授予Phatak的Northwestern-Argonne早期职业研究者能源研究奖。该计划得到了西北可持续能源研究所的资金支持,促进了Phatak和Haile之间的合作,并支持了该研究的第一作者西北大学研究生Xin Xu。

这两种技术的使用使科学家能够以3D方式可视化系统,并解决围绕晶界特性以及它们如何影响这种电解质电阻的混乱。新信息可以帮助科学家提高整体固体电解质的效率,从而可以帮助改善许多类型的可持续和可再生能源的性能。

海尔说:“如果离子能更有效地穿过这些固态电解质的界面移动,电池将变得更加高效。” “更接近我们研究的材料系统的燃料电池也是如此。通过在不高的温度下更容易操作,燃料电池有可能真正影响燃料效率。”

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