萨凡纳·米切姆，阿尔贡国家实验室 看不见的:轻掺杂固体电解质样品中晶界的电子全息图，从中可以恢复晶界的电势
学分:阿尔贡国家实验室 降低固体电解质中离子流动的阻力可以提高燃料电池和电池组的效率，但首先，科学家必须了解导致阻力的材料特性
固体电解质材料由数十万个小晶体区域组成，称为晶粒，具有不同的取向
用于燃料电池和电池组的材料，将离子或带电原子从一个电极输送到另一个电极
众所周知，材料中颗粒之间的边界会阻碍离子在电解液中的流动，但导致这种阻力的确切性质仍不清楚
来自美国的科学家
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能源部阿贡国家实验室对西北大学领导的最近一项研究做出了贡献，该研究旨在调查固体电解质材料中的晶界
这项研究涉及两项强大的技术——电子全息术和原子探针断层扫描术——这两项技术使科学家能够以前所未有的小规模观察边界
由此产生的见解为调整材料的化学性质以提高性能提供了新的途径
阿尔贡材料科学部(MSD)的科学家查鲁达塔·法塔克说:“当科学家们研究这些电解质的电导率时，他们通常会一起测量所有晶粒和晶界的平均性能，但战略性地控制材料特性需要深入了解单个晶界层面的电阻来源。”
" 为了探索晶界，科学家们在阿贡纳米材料中心(CNM)对一种常见的固体电解质进行了电子全息摄影，该中心是美国能源部科学办公室的一个用户设施
在这个过程中，一束电子束击中材料的一个薄样品，并由于其内部和周围存在局部电场而经历相移
然后，外部电场使穿过样品的一部分电子偏转，产生干涉图案
科学家们分析了这些干涉图案，这些图案是根据与光学物理中全息图相同的原理创建的，以确定材料内部晶界处的电场
他们测量了十种不同取向度的晶界的局部电场
在这项研究之前，科学家们认为晶界处的电阻仅仅是由于内部热力学效应引起的，例如对一个区域电荷积累的限制
然而，他们观察到的大而多变的电场表明，在解释电阻的材料中存在以前未检测到的杂质
“如果阻力仅仅是由于热力学限制，我们应该看到跨越不同边界类型的相同场，”费塔克说，“但是既然我们看到了几乎一个数量级的差异，就必须有另一种解释
" 轻掺杂固体电解质中晶界的原子探针层析成像重建，显示样品中杂质的三维分布
学分:西北大学 为了进一步研究痕量杂质，科学家们使用西北大学原子探针层析成像中心(NUCAPT)来确定晶界处单个原子的化学特性
研究中的电解质材料由二氧化铈制成，常用于固体氧化物燃料电池，被认为几乎是完全纯净的，但断层扫描显示存在杂质，包括材料合成过程中产生的硅和铝
“一方面，这表明如果你让你的材料变得更干净，你可以减少电解质的界面问题，”沃尔特·索西纳·海尔说
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墨菲西北大学麦考密克工程学院材料科学与工程教授
“但现实地说，你不可能在工业规模上做出比我们准备的更干净的样品
" 这些固有的杂质被配置在晶界上，使得穿过晶界的电场阻止离子的流动
杂质在电解质总电阻上留下的足迹与科学家仅从热力学效应所预期的非常相似
了解电阻的真正原因——杂质——可以帮助科学家纠正它
费塔克说:“根据我们的发现，我们可以有意地在材料中加入元素，抵消杂质的影响，降低晶界的电阻。”
这项研究的部分资金来自西北-阿尔贡能源研究早期职业研究者奖，该奖授予了法塔克
该项目得到了西北大学可持续能源研究所的资金支持，促进了法塔克和海尔之间的合作，并资助了西北大学的研究生徐新，他是该研究的第一作者
这两种技术的使用使科学家们能够以三维的方式可视化系统，并解决围绕颗粒边界的性质以及它们如何影响电解质中的电阻的困惑
新的信息可以帮助科学家提高固体电解质的总体效率，这有助于改善许多类型的可持续和可再生能源的性能
海尔说:“如果离子能够更有效地穿过这些固态电解质的界面，电池将变得更加高效。”
“燃料电池也是如此，它更接近我们研究的物质系统
通过使其在不太高的温度下更容易操作，有可能真正影响燃油效率
" 一项名为“通过电子全息术和原子探针层析术检测的晶界电势的可变性和起源”的研究发表在4月13日的《自然材料》杂志上
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