Группа исследователей из Токийского университета совершила прорыв в области твердооксидных топливных элементов (SOFC), впервые напрямую наблюдая слои пространственного заряда внутри твёрдого электролита. Это открытие может привести к значительному улучшению характеристик материалов аккумуляторов и стать важным шагом на пути к созданию более эффективных и экологически чистых источников энергии.

SOFC считаются перспективным источником чистой энергии благодаря их низким выбросам углекислого газа и высокой эффективности генерации электроэнергии. Однако одной из основных проблем, с которыми сталкиваются разработчики, является резкое падение ионной проводимости на границах между кристаллическими зёрнами внутри электролита. Долгое время предполагалось, что причиной этого являются слои пространственного заряда, распределённые в нанометровом диапазоне вблизи границ зёрен. Однако до сих пор не было возможности напрямую наблюдать эти слои, и вопрос о их существовании оставался открытым.

Источник: DALL-E

В исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, доцент Сатоко Тояма, преподаватель Такехито Секи, доцент проекта Бин Фэн, профессор-исследователь Юичи Икухара и профессор Наоя Сибата из Института инженерных инноваций Высшей школы инженерии Токийского университета успешно продемонстрировали существование слоёв пространственного заряда на границах зёрен стабилизированного иттрием кубического циркония (YSZ) — широко используемого проводника ионов кислорода в качестве твёрдого электролита.

Исследователи использовали современный электронный микроскоп для наблюдения локальных электрических полей и обнаружили слои пространственного заряда на нескольких границах зёрен с различной ориентацией кристаллов. Более того, они нашли границы, где отсутствуют слои пространственного заряда, и выявили, что их наличие тесно связано с ориентацией кристалла и атомной структурой границ зёрен.

«Мы обнаружили, что, контролируя структуру границ зёрен, можно устранить слой пространственного заряда и снизить сопротивление ионной проводимости на границах. Это исследование представляет собой важный шаг на пути к выяснению причины сопротивления ионной проводимости на границах зёрен в материалах аккумуляторов и обещает привести к разработке новых рекомендаций по улучшению характеристик материалов аккумуляторов в будущем», — говорит доцент Сатоко Тояма.

Слева показана схема наблюдения электрического поля слоя пространственного заряда на границе зёрен. Электронный луч сканирует образец в нескольких точках. Справа показано экспериментальное изображение электрического поля границы зёрен YSZ.
Источник: Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-53014-w

Результаты были достигнуты в рамках исследовательского проекта SHIBATA Ultra-atomic Resolution Electron Microscopy, целью которого является разработка новой методики измерения, позволяющей одновременно наблюдать структуры атомного масштаба и распределения электромагнитного поля в диапазоне температур от экстремально низких до высоких температур.

«Наше исследование демонстрирует, что электронная микроскопия ультраатомного разрешения может стать мощным инструментом для понимания фундаментальных свойств материалов и разработки новых технологий. Мы надеемся, что наши результаты помогут в создании более эффективных и экологически чистых источников энергии, что будет способствовать устойчивому развитию нашего общества», — добавляет профессор Наоя Сибата.