La riduzione della resistenza al flusso di ioni negli elettroliti solidi può migliorare l'efficienza delle celle a combustibile e delle batterie, ma prima, gli scienziati devono comprendere le proprietà dei materiali responsabili della resistenza.

I materiali elettrolitici solidi sono costituiti da centinaia di migliaia di piccole regioni cristalline, chiamati cereali, con diversi orientamenti. I materiali, utilizzato in celle a combustibile e batterie, trasporto di ioni, o atomi carichi, da un elettrodo all'altro elettrodo. È noto che i confini tra i grani nei materiali impediscono il flusso di ioni attraverso l'elettrolita, ma le proprietà esatte che causano questa resistenza sono rimaste sfuggenti.

Scienziati dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno contribuito a un recente studio condotto dalla Northwestern University per studiare i bordi dei grani in un materiale elettrolitico solido. Lo studio ha coinvolto due potenti tecniche, l'olografia elettronica e la tomografia con sonda atomica, che hanno permesso agli scienziati di osservare i confini su una scala senza precedenti. Le intuizioni risultanti forniscono nuove strade per l'ottimizzazione delle proprietà chimiche nel materiale per migliorare le prestazioni.

"Quando gli scienziati studiano la conduttività di questi elettroliti, in genere misurano le prestazioni medie di tutti i grani e bordi di grano insieme, " disse Charudatta Phatak, uno scienziato della Divisione Scienza dei Materiali (MSD) di Argonne, "ma manipolare strategicamente le proprietà del materiale richiede una profonda conoscenza delle origini della resistenza a livello dei singoli bordi dei grani".

Per esplorare i confini del grano, gli scienziati hanno eseguito l'olografia elettronica di un elettrolita solido comune presso il Center for Nanoscale Materials (CNM) di Argonne, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE. In questo processo, un fascio di elettroni colpisce un campione sottile del materiale e subisce uno sfasamento dovuto alla presenza di un campo elettrico locale dentro e intorno ad esso. Un campo elettrico esterno fa quindi deviare una parte degli elettroni che passano attraverso il campione, creando uno schema di interferenza.

Gli scienziati hanno analizzato questi modelli di interferenza, creati sugli stessi principi degli ologrammi in fisica ottica, per determinare il campo elettrico all'interno del materiale ai bordi del grano. Hanno misurato i campi elettrici locali a dieci tipi di bordi di grano con diversi gradi di disorientamento.

Prima di questo studio, gli scienziati pensavano che la resistenza ai bordi dei grani fosse dovuta ai soli effetti termodinamici interni, come il limite all'accumulo di carica in un'area. Però, i grandi e vari campi elettrici osservati indicavano l'esistenza di impurità precedentemente non rilevate nel materiale che spiegano la resistenza.

"Se la resistenza fosse dovuta solo a limiti termodinamici, avremmo dovuto vedere gli stessi campi attraverso diversi tipi di confine, " disse Phatak, "ma poiché abbiamo visto differenze di quasi un ordine di grandezza, doveva esserci un'altra spiegazione».

Per studiare ulteriormente le impurità in tracce, gli scienziati hanno utilizzato il Northwestern University Center for Atom Probe Tomography (NUCAPT) per determinare l'identità chimica dei singoli atomi ai bordi dei grani. Il materiale elettrolitico nello studio, fatto di ceria e spesso utilizzato nelle celle a combustibile ad ossido solido, si pensava fosse quasi completamente puro, ma la tomografia ha rivelato l'esistenza di impurità tra cui silicio e alluminio, prodotte durante la sintesi del materiale.

"Da una parte, mostra che se rendi i tuoi materiali più puliti, puoi ridurre questi problemi interfacciali con gli elettroliti, " disse Sossina Haile, Walter. P. Murphy Professore di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso la McCormick School of Engineering della Northwestern. "Realisticamente però, non puoi fare un campione su scala industriale più pulito di quello che avevamo preparato."

Queste impurità intrinseche sono configurate ai bordi dei grani in modo tale che i campi elettrici attraverso i bordi resistano al flusso di ioni. Le impronte che le impurità lasciano sulla resistenza complessiva dell'elettrolita assomigliano molto a ciò che gli scienziati si aspetterebbero dai soli effetti termodinamici. Comprendere la vera causa della resistenza, le impurità, può aiutare gli scienziati a correggerla.

"Sulla base dei nostri risultati, possiamo inserire intenzionalmente nel materiale elementi che negano gli effetti delle impurità, abbassando la resistenza ai bordi del grano, " disse Phatak.

Finanziamento per lo studio, in parte, proveniva da un Northwestern-Argonne Early Career Investigator Award for Energy Research assegnato a Phatak. Il programma, che è stato abbinato ai fondi dell'Istituto di energia sostenibile della Northwestern, ha promosso una collaborazione tra Phatak e Haile e ha sostenuto lo studente laureato della Northwestern Xin Xu, primo autore dello studio.

L'uso di queste due tecniche ha consentito agli scienziati di visualizzare i sistemi in 3D e di risolvere la confusione che circonda le proprietà dei bordi dei grani e il modo in cui influiscono sulla resistenza in questo elettrolita. 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 Materiali della natura .