Los materiales electrolíticos sólidos consisten en cientos de miles de pequeñas regiones cristalinas, llamadas granos, con varias orientaciones. Los materiales, utilizados en pilas de combustible y baterías, iones de transporte o átomos cargados, de un electrodo al otro electrodo. Límites entre elSe sabe que los granos en los materiales impiden el flujo de iones a través del electrolito, pero las propiedades exactas que causan esta resistencia han permanecido esquivas.
Los científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. DOE contribuyeron a un estudio reciente dirigido por la Universidad de Northwestern para investigar los límites de grano en un material electrolítico sólido. El estudio incluyó dos técnicas poderosas: la holografía electrónica y la tomografía con sonda atómica.eso permitió a los científicos observar los límites a una escala sin precedentes. Las ideas resultantes proporcionan nuevas vías para ajustar las propiedades químicas en el material para mejorar el rendimiento.
"Cuando los científicos estudian la conductividad de estos electrolitos, generalmente miden el rendimiento promedio de todos los granos y límites de granos juntos", dijo Charudatta Phatak, científica de la División de Ciencia de Materiales MSD de Argonne, "pero manipulando estratégicamente el materialLas propiedades requieren un conocimiento profundo de los orígenes de la resistencia a nivel de los límites individuales del grano ".
Para explorar los límites de los granos, los científicos realizaron una holografía electrónica de un electrolito sólido común en el Centro de Materiales a Nanoescala de Argonne CNM, una Instalación de Usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE. En este proceso, un haz de electrones golpea una muestra delgada dematerial y experimenta un cambio de fase debido a la presencia de un campo eléctrico local dentro y alrededor de él. Un campo eléctrico externo hace que una porción de los electrones que pasan a través de la muestra se desvíen, creando un patrón de interferencia.
Los científicos analizaron estos patrones de interferencia, creados con los mismos principios que los hologramas en física óptica, para determinar el campo eléctrico dentro del material en los límites de grano. Midieron los campos eléctricos locales en diez tipos de límites de grano con diferentes grados de desorientación.
Antes de este estudio, los científicos pensaban que la resistencia en los límites de los granos surgía solo por los efectos termodinámicos internos, como el límite en la acumulación de carga en un área. Sin embargo, los campos eléctricos grandes y variados que observaron indicaron la existencia de no detectados previamenteimpurezas en el material que explican la resistencia.
"Si la resistencia se debió solo a límites termodinámicos, deberíamos haber visto los mismos campos en diferentes tipos de límites", dijo Phatak, "pero como vimos diferencias de casi un orden de magnitud, tenía que haber otra explicación".
Para seguir estudiando las impurezas traza, los científicos utilizaron el Centro de Tomografía por sonda atómica de la Universidad de Northwestern NUCAPT para determinar la identidad química de los átomos individuales en los límites del grano. El material electrolítico en el estudio, hecho de ceria y de uso frecuente enSe pensaba que las pilas de combustible de óxido sólido eran casi completamente puras, pero la tomografía reveló la existencia de impurezas que incluyen silicio y aluminio, producidas durante la síntesis del material.
"Por un lado, muestra que si hace que sus materiales sean más limpios, puede disminuir estos problemas de la interfaz con los electrolitos", dijo Sossina Haile, Walter. Profesor P. Murphy de Ciencia e Ingeniería de Materiales en la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern."Sin embargo, de manera realista, no se puede hacer una muestra a una escala industrial más limpia de lo que habíamos preparado".
Estas impurezas inherentes se configuran en los límites del grano de una manera que hace que los campos eléctricos a través de los límites resistan el flujo de iones. Las huellas que las impurezas dejan en la resistencia general del electrolito se parecen mucho a lo que los científicos esperarían de la termodinámica.efectos por sí solos. Comprender la verdadera causa de la resistencia, las impurezas, puede ayudar a los científicos a corregirla.
"Con base en nuestros hallazgos, podemos insertar elementos intencionalmente en el material que niegan los efectos de las impurezas, disminuyendo la resistencia en los límites de grano", dijo Phatak.
La financiación para el estudio, en parte, provino de un premio Northwestern-Argonne Early Career Investigator Award for Energy Research otorgado a Phatak. El programa, que fue igualado por fondos del Instituto de Energía Sostenible en Northwestern, fomentó una colaboración entre Phatak yHaile y apoyó al estudiante de posgrado del Noroeste Xin Xu, primer autor del estudio.
El uso de estas dos técnicas permitió a los científicos visualizar los sistemas en 3D y resolver la confusión en torno a las propiedades de los límites de grano y cómo afectan la resistencia en este electrolito. La nueva información podría ayudar a los científicos a aumentar la eficiencia de los electrolitos sólidos en general, lo que podría ayudar a mejorar el rendimiento de muchos tipos de fuentes de energía sostenibles y renovables.
"Si los iones pueden moverse a través de las interfaces de estos electrolitos de estado sólido de manera más efectiva, las baterías serán mucho más eficientes", dijo Haile. "Lo mismo ocurre con las celdas de combustible, que están más cerca del sistema de materiales que estudiamos. Hayun potencial para impactar realmente la eficiencia del combustible al facilitar el funcionamiento a temperaturas que no son extremadamente altas "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Argonne . Original escrito por Savannah Mitchem. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cita esta página :