研究发现：固体电解质材料的杂质是产生电阻的主要原因
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（图片来源：阿贡官网）
盖世汽车讯 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 。
【研究发现：固体电解质材料的杂质是产生电阻的主要原因】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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