Команда учёных из Токийского университета совершила значительный научный прорыв в изучении твердооксидных топливных элементов (SOFC), став первой, кто смог непосредственно наблюдать слои пространственного заряда в твёрдом электролите. Это открытие открывает путь к улучшению характеристик аккумуляторных материалов и является важным шагом на пути к созданию более эффективных и экологически безопасных источников энергии.
Твердооксидные топливные элементы (SOFC) считаются перспективными источниками экологически чистой энергии благодаря их минимальным выбросам СО₂ и высокой эффективности выработки электроэнергии. Однако ключевой трудностью, с которой сталкиваются разработчики, остаётся резкое падение ионной проводимости на границах между кристаллическими зёрнами в электролите. Долгое время полагали, что это вызвано слоями пространственного заряда в нанометровом масштабе вблизи границ зёрен, однако их существование до сих пор не было подтверждено наблюдениями.
В статье, опубликованной в журнале Nature Communications, доцент Сатоко Тояма, преподаватель Такехито Секи, доцент Бин Фэн, исследователь-профессор Юичи Икухара и профессор Наоя Сибата из Института инженерных инноваций Высшей школы инженерии Токийского университета подтвердили наличие слоёв пространственного заряда на границах зёрен стабилизированного иттрием кубического циркония (YSZ), который часто используется как кислородный ионный проводник в твёрдых электролитах.
С помощью передового электронного микроскопа они изучили локальные электрические поля и впервые обнаружили слои пространственного заряда на нескольких границах зёрен с различными ориентациями кристаллов. Они также выявили, что на некоторых границах отсутствие таких слоёв зависит от ориентации кристаллов и атомной структуры границ.
«Мы выяснили, что регулирование структуры границ зёрен может устранить слои пространственного заряда и снизить сопротивление ионной проводимости на границах. Это исследование является важным шагом в понимании причин сопротивления ионной проводимости на границах зёрен и может стать основой для улучшения характеристик аккумуляторных материалов в будущем», — объясняет доцент Сатоко Тояма.
Источник: Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-53014-w
Этот успех был достигнут в рамках исследовательского проекта SHIBATA Ultra-atomic Resolution Electron Microscopy, направленного на создание новой методики, позволяющей изучать атомные структуры и распределение электромагнитных полей в условиях экстремальных температур.
«Наше исследование иллюстрирует потенциал ультраатомной разрешающей электронной микроскопии для более глубокого понимания фундаментальных свойств материалов и разработки инновационных технологий. Мы надеемся, что наши результаты поспособствуют созданию более эффективных и экологичных источников энергии, способствуя устойчивому развитию общества», — комментирует профессор Наоя Сибата.
Источник: iXBT
