中國粉體網(wǎng)訊  固體電解質(zhì)材料由幾十萬個具有不同取向的小晶區(qū)（稱為晶粒）構(gòu)成。在燃料電池和電池中,，這種材料可以將離子或帶電原子從一個電極運送至另一個電極,。人們知道，材料中晶粒之間的邊界會阻礙離子流過電解質(zhì),，但是,，產(chǎn)生電阻的具體原因仍然難以確定。

據(jù)外媒報道,，美國能源部阿貢國家實驗室的科學(xué)家,，為西北大學(xué)最近領(lǐng)導(dǎo)的一項研究做出了貢獻(xiàn)，該研究旨在了解固體電解質(zhì)材料中的晶界,。在研究過程中,，科學(xué)家們通過電子全息照相術(shù)和原子探針層析術(shù)兩種強大的技術(shù)，以前所未有的精度觀測邊界,。所得到的研究結(jié)果,，為調(diào)整材料化學(xué)性質(zhì)提供了新途徑，有助于提高材料性能,。阿貢材料科學(xué)系（MSD）的科學(xué)家Charudatta Phatak說：“科學(xué)家們研究此類電解質(zhì)的電導(dǎo)率時,，通常會測量所有晶粒和晶界的均等性能,。但是，要從戰(zhàn)略角度操控材料特性,，就需要在單個晶界層面上深入了解電阻的源頭,。”

為了探討晶界,，科學(xué)家們在阿貢納米材料中心（CNM）利用電子全息照相術(shù),，觀測普通固體電解質(zhì)。在這個過程中,，電子束擊中材料樣品,，并經(jīng)歷相移，這是由于樣品及其周圍空間存在局部電場,。然后,，外部電場使通過樣品的部分電子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生干涉圖樣,�,？茖W(xué)家們對干涉圖樣進(jìn)行分析，以確定材料內(nèi)部晶界處的電場,，這些圖樣的產(chǎn)生原理,，與光學(xué)物理中的全息圖原理相同。他們測量了不同取向誤差下10種晶界的局部電場,。

在此之前,，科學(xué)家們認(rèn)為,，晶界電阻僅僅是由于內(nèi)部熱力學(xué)效應(yīng)而產(chǎn)生的,，例如限制電荷在某一區(qū)域積累。然而,，他們觀察到,，電場很大而且發(fā)生變化。這表明,，電阻的材料中存在雜質(zhì),，這一發(fā)現(xiàn)尚屬首次。Phatak說：“如果電阻僅僅是由于受到熱力學(xué)限制而產(chǎn)生的,，我們應(yīng)該看到不同類型的邊界都具有相同的場,。但是，我們看到了幾乎是數(shù)量級的差異,，因此一定存在另外一個解釋,。”

為了深入研究微量雜質(zhì),，科學(xué)家們利用西北大學(xué)原子探針層析成像中心（NUCAPT）的設(shè)施,，測定晶界上單個原子的化學(xué)特性,。這項研究中的電解質(zhì)材料由鈰制成，常用于固體氧化物燃料電池,，此前被認(rèn)為幾乎是100%純凈,，但是，斷層掃描顯示,，在材料合成過程中存在雜質(zhì),，包括硅和鋁在內(nèi)。西北大學(xué)麥考密克工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)墨菲教授Sossina Haile稱：“這一方面表明,，如果材料能變得更加純凈,，可以減少這些電解質(zhì)界面問題。然而,，考慮到現(xiàn)實情況,，其它工業(yè)規(guī)模樣品，不可能比我們準(zhǔn)備的樣品更干凈,�,！�

這些固有雜質(zhì)以一定方式分散在晶界處，從而使電場跨越邊界,，阻擋離子流動,。雜質(zhì)對整體電解質(zhì)電阻產(chǎn)生的影響，與科學(xué)家所期望的僅僅從熱力學(xué)效應(yīng)中得到的結(jié)果非常相似,。了解到電阻產(chǎn)生的真正原因在于雜質(zhì),，可以幫助科學(xué)家進(jìn)行調(diào)整。Phatak稱：“基于我們的發(fā)現(xiàn),，我們可以將元素插入到材料中,，使其不受雜質(zhì)影響，從而降低晶界之間的電阻,�,！�

通過這兩種技術(shù)，科學(xué)家能夠?qū)Σ牧象w系進(jìn)行3D可視化研究,，并解決圍繞晶界特性及其如何在電解質(zhì)中影響電阻的困惑,。新信息可以幫助科學(xué)家提高固體電解質(zhì)的總體效率，改善多種可持續(xù)和可再生能源的性能,。Haile稱：“如果能讓離子更有效地穿過固態(tài)電解質(zhì)的界面,，電池效率將得到進(jìn)一步提升。燃料電池也是如此,，它更接近于我們所研究的材料體系,。有可能真正影響燃料效率，使其在溫度不是很高的情況下更容易操作,�,！�

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/墨玉）

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