Dans cette image, différentes couleurs représentent l'orientation cristallographique des grains de taille micrométrique constituant un matériau appelé Yttria Stabilisated Zirconia, utilisé dans les piles à combustible et d'autres applications énergétiques. La nuance grise représente le « désordre structurel aux limites du grain, ” et la teinte aqua et bleu représente des régions désordonnées. Le rouge représente la charge négative, et le bleu représente une charge négative. Crédit :Purdue University image/Vikrant Karra et Edwin García
Une nouvelle théorie pourrait permettre aux chercheurs et à l'industrie de régler et d'améliorer les performances d'un matériau appelé céramique ionique dans les batteries rechargeables, piles à combustible et autres applications énergétiques.
Les céramiques ioniques sont composées de nombreux "grains" à facettes qui se rencontrent aux limites de manière à affecter, par exemple, quelle puissance une pile à combustible peut fournir ou à quelle vitesse une batterie peut être rechargée et combien de temps elle peut tenir une charge.
"Mon téléphone portable a un montant (fixe) de charge, et ces joints de grains sont un facteur limitant, " à quel point cette charge est en effet utile, a déclaré Edwin García, professeur de génie des matériaux à l'Université Purdue.
L'un des défis du perfectionnement des technologies utilisant les céramiques ioniques est de surmonter les effets isolants des joints de grains (interfaces entre grains), qui subissent des "transitions de phase" (changements structurels et électrochimiques), impactant ainsi les propriétés des matériaux.
"C'est un problème qui existe dans le domaine de la céramique depuis 40 ans, " dit-il. Cependant, ce n'est que ces 10 dernières années que les scientifiques ont réalisé que les interfaces (matériaux 2D), tout comme les phases en vrac (matériaux 3D) peuvent subir des transitions de phase.
Travailler avec Garcia, la doctorante Suryanarayana Karra Vikrant a mené des recherches pour développer la nouvelle théorie, qui décrit ce qui se passe à l'interface entre les minuscules grains. L'ouvrage prolonge les recherches pionnières de John Cahn pour le métal, qui a reçu une médaille nationale des sciences en 1998 et a été chercheur au Massachusetts Institute of Technology et au National Institute of Standards and Technology.
"La théorie montre que ces interfaces subissent des transitions de phase, qui n'avait pas été [identifié comme tel] auparavant, " a déclaré Garcia.
Les transitions de phase 2-D peuvent inclure des changements de charge, Tension, et "désordre structurel, " qui affecte les propriétés du matériau sur une échelle de 10 nm, mais impactant les performances, Propriétés, et la dégradation à l'échelle macro.
La théorie a été validée en utilisant de la zircone stabilisée à l'yttria, ou YSZ, un matériau dans les applications de piles à combustible à oxyde solide. Les résultats sont détaillés dans un document de recherche paru mercredi (20 février) dans le La nature journal Matériaux de calcul .
Vikrant Karra, un étudiant de Purdue a créé un diagramme de phases montrant comment les joints de grains subissent des transitions.
« Du point de vue des sciences fondamentales, ce travail est très cool, mais c'est aussi pertinent pour les applications énergétiques, " a déclaré Garcia.
Par exemple, il a dit, être en mesure de mieux concevoir les céramiques interfaciales pourrait apporter des piles à combustible et des batteries qui conservent une charge plus longtemps et peuvent être chargées plus rapidement qu'aujourd'hui. En effet, les transitions de phase interfaciales peuvent amener les joints de grains à devenir des isolants, interférer avec les performances d'une batterie.
"Donc, cette théorie est une première étape dans le réglage de ces céramiques [phases 2D en vrac], " il a dit.
La théorie s'applique non seulement à YSZ, mais aussi à d'autres céramiques qui pourraient apporter des batteries à l'état solide, ou des batteries qui ne contiennent pas d'électrolyte liquide, une avancée qui offre divers avantages potentiels par rapport aux batteries lithium-ion conventionnelles. Ils seraient plus légers et plus sûrs pour les véhicules électriques, éliminant le risque de fuite ou d'électrolyte inflammable lors d'accidents.
Les résultats ont également des implications pour la conception de céramiques pour des applications ferroélectriques et piézotroniques, qui s'adressent aux mémoires informatiques, technologies énergétiques et capteurs qui mesurent les contraintes dans les matériaux. Des conceptions avancées pourraient réduire la consommation d'énergie dans ces applications.
Les recherches futures comprennent des travaux visant à démontrer la théorie avec des résultats expérimentaux dans des batteries et à en apprendre davantage sur le comportement dynamique des interfaces de grains.
