Шаг к устойчивому развитию и улучшению характеристик материалов аккумуляторов
Группе учёных из Токийского университета удалось достичь значительного успеха в области твердооксидных топливных элементов (SOFC), впервые наблюдая напрямую слои пространственного заряда внутри твердого электролита. Это открытие может существенно повысить характеристики материалов аккумуляторов и стать важным шагом к созданию более эффективных и экологически чистых источников энергии.
Твердооксидные топливные элементы представляют собой многообещающий вариант чистой энергетики за счет низких выбросов углекислого газа и высокой эффективности преобразования энергии. Однако одной из ключевых проблем для разработчиков является резкое снижение ионной проводимости на границах кристаллических зёрен в электролите. Долгое время считалось, что причиной этих затруднений являются слои пространственного заряда, которые расположены в нанометровом диапазоне около границ зёрен. Несмотря на это, до недавнего времени не удавалось визуализировать эти слои, и вопрос о их существовании оставался открытым.
В статье, опубликованной в журнале Nature Communications, группа исследователей, включая доцента Сатоко Тояму, преподавателя Такехито Секи, доцента проекта Бин Фэна, профессора-исследователя Юичи Икухару и профессора Наою Сибату из Института инженерных инноваций Токийского университета, успешно подтвердили наличие слоёв пространственного заряда на границах зёрен стабилизированного иттрием кубического циркония (YSZ). Этот материал обычно используется как твёрдый электролит для ионов кислорода.
Используя продвинутый электронный микроскоп, исследователи зафиксировали локальные электрические поля и выявили слои пространственного заряда на различных границах зёрен, обладающих различной кристаллической ориентацией. Также они заметили границы без таких слоёв и поняли, что их присутствие тесно связано с конфигурацией кристаллов и атомной структурой этих границ.
«Наша работа показала, что управление структурой границ зёрен может убрать слои пространственного заряда, что, в свою очередь, снижает сопротивление ионной проводимости. Это исследование является важным шагом к пониманию причин сопротивления ионной проводимости в материалах аккумуляторов и может привести к разработке новых методов улучшения их характеристик», — отметил доцент Сатоко Тояма.
Результаты были получены в ходе исследовательского проекта SHIBATA по ультраатомной разрешающей электронной микроскопии, целью которого является создание новой методики для одновременного наблюдения атомных структур и распределений электромагнитного поля при температурах от крайне низких до высоких.
«Наше исследование показывает, что ультраатомная электронная микроскопия может служить мощным инструментом для глубочайшего понимания основных свойств материалов и разработки новых технологий. Мы уверены, что наши находки помогут в создании более эффективных и экологически безопасных источников энергии, что, в свою очередь, будет способствовать устойчивому развитию нашего общества», — отмечает профессор Наоя Сибата.