La réduction de la résistance au flux d'ions dans les électrolytes solides peut améliorer l'efficacité des piles à combustible et des batteries, mais d'abord, les scientifiques doivent comprendre les propriétés matérielles responsables de la résistance.

Les matériaux électrolytiques solides se composent de centaines de milliers de petites régions cristallines, appelé céréales, avec des orientations diverses. Les matériaux, utilisé dans les piles à combustible et les batteries, transporter des ions, ou des atomes chargés, d'une électrode à l'autre électrode. Les limites entre les grains dans les matériaux sont connues pour entraver le flux d'ions à travers l'électrolyte, mais les propriétés exactes qui causent cette résistance sont restées insaisissables.

Des scientifiques du laboratoire national d'Argonne du département américain de l'Énergie (DOE) ont contribué à une étude récente menée par la Northwestern University pour étudier les joints de grains dans un matériau d'électrolyte solide. L'étude a impliqué deux techniques puissantes - l'holographie électronique et la tomographie par sonde atomique - qui ont permis aux scientifiques d'observer les limites à une échelle sans précédent. Les informations qui en résultent offrent de nouvelles pistes pour ajuster les propriétés chimiques du matériau afin d'améliorer les performances.

"Lorsque les scientifiques étudient la conductivité de ces électrolytes, ils mesurent généralement la performance moyenne de tous les grains et joints de grains ensemble, " dit Charudatta Phatak, un scientifique de la Division Science des Matériaux (MSD) d'Argonne, "mais la manipulation stratégique des propriétés du matériau nécessite une connaissance approfondie des origines de la résistance au niveau des joints de grains individuels."

Pour explorer les joints de grains, les scientifiques ont effectué l'holographie électronique d'un électrolyte solide commun au Centre des matériaux à l'échelle nanométrique (CNM) d'Argonne, une installation utilisateur du DOE Office of Science. Dans ce processus, un faisceau d'électrons frappe un échantillon mince du matériau et subit un déphasage dû à la présence d'un champ électrique local à l'intérieur et autour de celui-ci. Un champ électrique externe provoque alors la déviation d'une partie des électrons traversant l'échantillon, créer un motif d'interférence.

Les scientifiques ont analysé ces modèles d'interférence, créés sur les mêmes principes que les hologrammes en physique optique, pour déterminer le champ électrique à l'intérieur du matériau aux joints de grains. Ils ont mesuré les champs électriques locaux à dix types de joints de grains avec différents degrés de désorientation.

Avant cette étude, les scientifiques pensaient que la résistance aux joints de grains était due aux seuls effets thermodynamiques internes, comme la limite de l'accumulation de charge dans une zone. Cependant, les champs électriques larges et variés qu'ils ont observés ont indiqué l'existence d'impuretés auparavant non détectées dans le matériau qui expliquent la résistance.

"Si la résistance n'était due qu'aux limites thermodynamiques, nous aurions dû voir les mêmes champs à travers différents types de frontières, " dit Phatak, "mais puisque nous avons vu des différences de presque un ordre de grandeur, il devait y avoir une autre explication."

Pour approfondir l'étude des traces d'impuretés, les scientifiques ont utilisé le Northwestern University Center for Atom Probe Tomography (NUCAPT) pour déterminer l'identité chimique des atomes individuels aux joints de grains. Le matériau électrolytique dans l'étude, en cérium et souvent utilisé dans les piles à combustible à oxyde solide, était considéré comme presque complètement pur, mais la tomographie a révélé l'existence d'impuretés, notamment de silicium et d'aluminium, produites lors de la synthèse du matériau.

"D'un côté, cela montre que si vous rendez vos matériaux plus propres, vous pouvez atténuer ces problèmes d'interface avec des électrolytes, " dit Sossina Hailé, Walter. P. Murphy Professeur de science et d'ingénierie des matériaux à la McCormick School of Engineering de Northwestern. "En réalité, cependant, vous ne pouvez pas faire un échantillon à l'échelle industrielle plus propre que ce que nous avions préparé."

Ces impuretés inhérentes sont configurées au niveau des joints de grains de manière à ce que les champs électriques traversant les joints résistent au flux d'ions. Les empreintes que les impuretés laissent sur la résistance globale de l'électrolyte ressemblent étroitement à ce que les scientifiques attendraient des seuls effets thermodynamiques. Comprendre la véritable cause de la résistance, les impuretés, peut aider les scientifiques à la corriger.

« Sur la base de nos constatations, nous pouvons intentionnellement insérer dans le matériau des éléments qui annulent les effets des impuretés, abaisser la résistance aux joints de grains, " dit Phatak.

Financement de l'étude, en partie, provenait d'une bourse de chercheur en début de carrière Northwestern-Argonne pour la recherche énergétique décernée à Phatak. Le programme, qui a été égalé par des fonds de l'Institute of Sustainable Energy de Northwestern, favorisé une collaboration entre Phatak et Haile et soutenu l'étudiant diplômé de Northwestern Xin Xu, premier auteur de l'étude.

L'utilisation de ces deux techniques a permis aux scientifiques de visualiser les systèmes en 3D et de résoudre la confusion entourant les propriétés des joints de grains et la façon dont ils affectent la résistance dans cet électrolyte. The new information could help scientists to increase the efficiency of solid electrolytes in general, which could help to improve the performance of many types of sustainable and renewable energy sources.

"If ions can move across the interfaces of these solid-state electrolytes more effectively, batteries will become much more efficient, " Haile said. "The same is true of fuel cells, which is closer to the material system we studied. There's a potential to really impact fuel efficiency by making it easier to operate at temperatures that aren't extremely high."

A study, titled "Variability and origins of grain boundary electric potential detected by electron holography and atom-probe tomography, " was published on April 13 in Matériaux naturels .