2019-02-24 05:50:02
新理论可以带来更好的电池和燃料电池

一种新的理论可以使研究人员和工业界调整和改善可充电电池,燃料电池和其他能源应用中离子陶瓷材料的性能。

离子陶瓷由许多刻面“颗粒”组成,这些颗粒以一定的方式在边界处相遇,例如,燃料电池可以提供多少功率,或者电池可以再充电多快以及它可以保持多长时间。

普渡大学材料工程教授EdwinGarcía说:“我的手机有一定量(固定)的电荷,这些晶界是一个限制因素,”这笔费用确实有多大。

完善使用离子陶瓷技术的一个挑战是克服晶界(晶粒之间的界面)的绝缘效应,晶界经历“相变”(结构和电化学变化),从而影响材料性能。

“这是过去40年来陶瓷领域存在的一个问题,”他说。然而,直到最近10年,科学家们才意识到界面(2-D材料),就像体相(3-D材料)一样,可以经历相变。

与García合作,博士生Suryanarayana Karra Vikrant领导研究开发新理论,该理论描述了微小颗粒之间界面发生的情况。这项工作扩展了John Cahn对金属的开创性研究,他曾获得1998年国家科学奖章,并且是麻省理工学院和国家标准与技术研究所的研究员。

“该理论表明,这些界面正在经历相变,之前并没有[如此确定],”加西亚说。

二维相变可能包括电荷,电压和结构“无序”的变化,这会影响材料在10nm范围内的性质,但会影响宏观尺度下的性能,性能和退化。

该理论使用氧化钇稳定的氧化锆或YSZ(固体氧化物燃料电池应用中的材料)进行验证。周三(2月20日)在Nature journal Computational Materials上发表的一份研究论文中详细介绍了调查结果。

普渡大学的学生Vikrant Karra创建了一个相图,显示了晶界如何经历过渡。

“从基础科学的角度来看,这项工作非常酷,但它也与能源应用相关,”加西亚说。

例如,他说,能够更好地设计界面陶瓷可以使燃料电池和电池的充电时间更长,并且可以比现在更快地充电。这是因为界面相变会导致晶界成为绝缘体,从而干扰电池的性能。

“所以,这个理论是调整这些[2-D相散装]陶瓷的第一步,”他说。

该理论不仅适用于YSZ,也适用于其他能够带来固态电池的陶瓷,或不含液体电解质的电池,这一进步提供了超越传统锂离子电池的各种潜在优势。它们对于电动车辆来说更轻,更安全,消除了事故中泄漏或易燃电解液的危险。

这些发现还对铁电和压电技术应用的陶瓷设计产生了影响,这些应用针对的是计算机存储器,能源技术和测量材料应力的传感器。先进的设计可以降低这些应用的能耗。

未来的研究工作包括用电池实验结果证明理论,并了解晶粒界面的动态行为。

猜您喜欢的其它内容