Una nueva teoría podría permitir a los investigadores y a la industria ajustar y mejorar el rendimiento de un material llamado cerámica iónica en baterías recargables. pilas de combustible y otras aplicaciones energéticas.

Las cerámicas iónicas están formadas por muchos "granos" facetados que se encuentran en los límites de manera que afectan, por ejemplo, cuánta energía puede entregar una pila de combustible o qué tan rápido se puede recargar una batería y cuánto tiempo puede mantener la carga.

"Mi teléfono celular tiene una cantidad (fija) de carga, y esos límites de grano son un factor limitante, "a cuánto de ese cargo es realmente útil, dijo Edwin García, profesor de ingeniería de materiales en la Universidad de Purdue.

Un desafío en el perfeccionamiento de las tecnologías que utilizan cerámicas iónicas es superar los efectos aislantes de los límites de los granos (interfaces entre granos), que experimentan "transiciones de fase" (cambios estructurales y electroquímicos), impactando así las propiedades del material.

"Es un problema que ha existido en el campo de la cerámica durante los últimos 40 años, ", dijo. Sin embargo, no fue hasta estos últimos 10 años cuando los científicos se dieron cuenta de que las interfaces (materiales 2-D), al igual que las fases a granel (materiales 3-D) pueden sufrir transiciones de fase.

Trabajando con García, La estudiante de doctorado Suryanarayana Karra Vikrant dirigió la investigación para desarrollar la nueva teoría, que describe lo que sucede en la interfaz entre los granos diminutos. El trabajo amplía la investigación pionera de John Cahn para el metal, quien fue galardonado con una Medalla Nacional de Ciencias en 1998 y fue investigador en el Instituto de Tecnología de Massachusetts y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología.

"La teoría muestra que estas interfaces están pasando por transiciones de fase, que no había sido [identificado como tal] antes, "Dijo García.

Las transiciones de fase 2-D pueden incluir cambios en el cargo, Voltaje, y desorden estructural, "que afecta las propiedades del material en una escala de 10 nm, pero impactando el rendimiento, propiedades, y degradación a escala macro.

La teoría se validó con zirconia estabilizada con itria, o YSZ, un material en aplicaciones de pilas de combustible de óxido sólido. Los hallazgos se detallan en un artículo de investigación que aparece el miércoles (20 de febrero) en el Naturaleza diario Materiales computacionales .

Vikrant Karra, un estudiante de Purdue creó un diagrama de fases que muestra cómo los límites de grano experimentan transiciones.

"Desde una perspectiva de ciencia básica, este trabajo es muy bueno, pero también es relevante para las aplicaciones energéticas, "Dijo García.

Por ejemplo, él dijo, Ser capaz de diseñar mejor la cerámica interfacial podría generar celdas de combustible y baterías que mantienen una carga por más tiempo y se pueden cargar más rápido de lo que ahora es posible. Esto se debe a que las transiciones de fase interfacial pueden hacer que los límites del grano se conviertan en aislantes, interfiriendo con el rendimiento de una batería.

"Entonces, esta teoría es un primer paso para ajustar estas cerámicas [fases 2-D a granel], " él dijo.

La teoría se aplica no solo a YSZ, sino también a otras cerámicas que podrían traer baterías de estado sólido, o baterías que no contienen electrolito líquido, un avance que ofrece varias ventajas potenciales sobre las baterías de iones de litio convencionales. Serían más ligeros y seguros para los vehículos eléctricos, eliminando el peligro de fugas de electrolito inflamable durante accidentes.

Los hallazgos también tienen implicaciones para el diseño de cerámicas para aplicaciones ferroeléctricas y piezotrónicas, que están dirigidas a las memorias de la computadora, tecnologías energéticas y sensores que miden tensiones en materiales. Los diseños avanzados podrían reducir el consumo de energía en estas aplicaciones.

Las investigaciones futuras incluyen trabajos para demostrar la teoría con resultados experimentales en baterías y aprender sobre el comportamiento dinámico de las interfaces de grano.