p Reduzir a resistência ao fluxo de íons em eletrólitos sólidos pode melhorar a eficiência das células de combustível e baterias, mas primeiro, os cientistas devem compreender as propriedades do material responsáveis ​​pela resistência. p Os materiais de eletrólitos sólidos consistem em centenas de milhares de pequenas regiões cristalinas, grãos chamados, com várias orientações. Os materiais, usado em células de combustível e baterias, íons de transporte, ou átomos carregados, de um eletrodo para o outro eletrodo. Limites entre os grãos nos materiais são conhecidos por impedir o fluxo de íons através do eletrólito, mas as propriedades exatas que causam essa resistência permaneceram indefinidas.

p Cientistas do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) contribuíram para um estudo recente conduzido pela Northwestern University para investigar os limites dos grãos em um material eletrolítico sólido. O estudo envolveu duas técnicas poderosas - holografia de elétrons e tomografia de sonda atômica - que permitiram aos cientistas observar os limites em uma escala sem precedentes. Os insights resultantes fornecem novos caminhos para ajustar as propriedades químicas no material para melhorar o desempenho.

p “Quando os cientistas estudam a condutividade desses eletrólitos, eles normalmente medem o desempenho médio de todos os grãos e limites de grãos juntos, "disse Charudatta Phatak, um cientista da Divisão de Ciência de Materiais de Argonne (MSD), "mas manipular estrategicamente as propriedades do material requer um conhecimento profundo das origens da resistência no nível dos limites de grãos individuais."

p Para explorar os limites dos grãos, os cientistas realizaram holografia de elétrons de um eletrólito sólido comum no Centro de Materiais em nanoescala de Argonne (CNM), um DOE Office of Science User Facility. Nesse processo, um feixe de elétrons atinge uma amostra fina do material e experimenta uma mudança de fase devido à presença de um campo elétrico local dentro e ao redor dele. Um campo elétrico externo, então, faz com que uma parte dos elétrons que passam através da amostra seja defletida, criando um padrão de interferência.

p Os cientistas analisaram esses padrões de interferência, criado com base nos mesmos princípios dos hologramas da física óptica, para determinar o campo elétrico dentro do material nos limites dos grãos. Eles mediram os campos elétricos locais em dez tipos de limites de grãos com diferentes graus de desorientação.

p Antes deste estudo, os cientistas pensaram que a resistência nos limites dos grãos surgiu devido apenas aos efeitos termodinâmicos internos, como o limite do acúmulo de carga em uma área. Contudo, os grandes e variados campos elétricos que observaram indicaram a existência de impurezas previamente não detectadas no material que explicam a resistência.

p "Se a resistência fosse apenas devido aos limites termodinâmicos, deveríamos ter visto os mesmos campos em diferentes tipos de fronteira, "disse Phatak, "mas como vimos diferenças de quase uma ordem de magnitude, tinha que haver outra explicação. "

p Para estudar mais as impurezas traço, os cientistas usaram o Centro da Universidade Northwestern para Tomografia de Sonda Atômica (NUCAPT) para determinar a identidade química de átomos individuais nos limites dos grãos. O material eletrolítico no estudo, feito de céria e frequentemente usado em células de combustível de óxido sólido, foi pensado para ser quase completamente puro, mas a tomografia revelou a existência de impurezas, incluindo silício e alumínio - produzidas durante a síntese do material.

p "Por um lado, isso mostra que se você deixar seus materiais mais limpos, você pode diminuir esses problemas de interface com eletrólitos, "disse Sossina Haile, Walter. P. Murphy Professor de Ciência e Engenharia de Materiais na McCormick School of Engineering da Northwestern. "Realisticamente, você não pode fazer uma amostra em escala industrial mais limpa do que aquela que preparamos. "

p Essas impurezas inerentes são configuradas nos limites dos grãos de uma forma que faz com que os campos elétricos através dos limites resistam ao fluxo de íons. As pegadas que as impurezas deixam na resistência geral do eletrólito se assemelham ao que os cientistas esperariam apenas dos efeitos termodinâmicos. Compreender a verdadeira causa da resistência - as impurezas - pode ajudar os cientistas a corrigi-la.

p "Com base em nossas descobertas, podemos inserir intencionalmente elementos no material que negam os efeitos das impurezas, diminuindo a resistência nos limites do grão, "disse Phatak.

p Financiamento para o estudo, em parte, veio de um prêmio Northwestern-Argonne Early Career Investigator para Pesquisa de Energia concedido a Phatak. O programa, que foi correspondido por fundos do Instituto de Energia Sustentável da Northwestern, promoveu uma colaboração entre Phatak e Haile e apoiou o estudante de graduação da Northwestern Xin Xu, primeiro autor do estudo.

p The use of these two techniques enabled scientists to visualize the systems in 3-D and to resolve confusion surrounding the properties of grain boundaries and how they affect resistance in this electrolyte. 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.

p "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."

p 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 Materiais da Natureza .