Reducir la resistencia al flujo de iones en electrolitos sólidos puede mejorar la eficiencia de las pilas de combustible y las baterías. pero primero, los científicos deben comprender las propiedades de los materiales responsables de la resistencia.

Los materiales de electrolitos sólidos constan de cientos de miles de pequeñas regiones cristalinas, llamados granos, con varias orientaciones. Los materiales, utilizado en pilas de combustible y baterías, iones de transporte, o átomos cargados, de un electrodo al otro electrodo. Se sabe que los límites entre los granos en los materiales impiden el flujo de iones a través del electrolito, pero las propiedades exactas que causan esta resistencia siguen siendo esquivas.

Científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) contribuyeron a un estudio reciente dirigido por la Universidad Northwestern para investigar los límites de los granos en un material electrolítico sólido. El estudio involucró dos técnicas poderosas, la holografía electrónica y la tomografía con sonda atómica, que permitieron a los científicos observar los límites a una escala sin precedentes. Los conocimientos resultantes proporcionan nuevas vías para ajustar las propiedades químicas del material para mejorar el rendimiento.

"Cuando los científicos estudian la conductividad de estos electrolitos, Por lo general, miden el rendimiento promedio de todos los granos y los límites de los granos juntos, "dijo Charudatta Phatak, un científico en la División de Ciencia de Materiales de Argonne (MSD), "pero manipular estratégicamente las propiedades del material requiere un conocimiento profundo de los orígenes de la resistencia a nivel de los límites de grano individuales".

Para explorar los límites del grano, los científicos realizaron la holografía electrónica de un electrolito sólido común en el Centro de Materiales a Nanoescala de Argonne (CNM), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. En este proceso, un haz de electrones golpea una muestra delgada del material y experimenta un cambio de fase debido a la presencia de un campo eléctrico local dentro y alrededor de él. Un campo eléctrico externo hace que una parte de los electrones que pasan a través de la muestra se desvíen, creando un patrón de interferencia.

Los científicos analizaron estos patrones de interferencia, creado con los mismos principios que los hologramas en física óptica, para determinar el campo eléctrico dentro del material en los límites de grano. Midieron los campos eléctricos locales en diez tipos de límites de grano con diferentes grados de desorientación.

Antes de este estudio, Los científicos pensaron que la resistencia en los límites de los granos surgía debido a los efectos termodinámicos internos solo, como el límite de acumulación de carga en un área. Sin embargo, los grandes y variados campos eléctricos que observaron indicaron la existencia de impurezas previamente no detectadas en el material que explican la resistencia.

"Si la resistencia se debiera solo a límites termodinámicos, deberíamos haber visto los mismos campos en diferentes tipos de límites, "dijo Phatak, "pero como vimos diferencias de casi un orden de magnitud, tenía que haber otra explicación ".

Para estudiar más a fondo las trazas de impurezas, Los científicos utilizaron el Centro de Tomografía por Sonda Atómica de la Universidad Northwestern (NUCAPT) para determinar la identidad química de los átomos individuales en los límites de los granos. El material electrolítico en el estudio, hecho de ceria y se utiliza a menudo en pilas de combustible de óxido sólido, se pensaba que era casi completamente puro, pero la tomografía reveló la existencia de impurezas, como el silicio y el aluminio, producidas durante la síntesis del material.

"Por un lado, muestra que si hace que sus materiales estén más limpios, puede disminuir estos problemas interfaciales con electrolitos, "dijo Sossina Haile, Walter. P. Murphy Profesor de Ciencia e Ingeniería de Materiales en la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern. "Aunque de manera realista, no se puede hacer una muestra a escala industrial más limpia de lo que habíamos preparado ".

Estas impurezas inherentes se configuran en los límites de los granos de una manera que hace que los campos eléctricos a través de los límites resistan el flujo de iones. Las huellas que dejan las impurezas en la resistencia general del electrolito se parecen mucho a lo que los científicos esperarían de los efectos termodinámicos solamente. Comprender la verdadera causa de la resistencia, las impurezas, puede ayudar a los científicos a corregirla.

"Según nuestros hallazgos, podemos insertar intencionalmente elementos en el material que niegan los efectos de las impurezas, reducir la resistencia en los límites de los granos, "dijo Phatak.

Financiamiento para el estudio, en parte, provino de un premio Northwestern-Argonne Early Career Investigator Award for Energy Research otorgado a Phatak. El programa, que fue igualado por fondos del Instituto de Energía Sostenible en Northwestern, fostered a collaboration between Phatak and Haile and supported Northwestern graduate student Xin Xu, first author on the study.

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.

"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 Materiales de la naturaleza .