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2020年05月11日 | 研究发现：固体电解质材料的杂质是产生电阻的主要原因
2020-05-11
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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史海拾趣
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