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美深入研究陶瓷晶体性质,固态电池再获进展

2025-02-19 224

若是想要提高燃料电池或其他储能系统的性能,科学家除了尝试新的设计与元素,也纷纷进一步探讨材料的运作机制,近期美国科学家便一探离子陶瓷(ionic ceramics)的晶体性质,将对未来的固态电池与燃料电池等储能技术大有裨益。

离子陶瓷是电子陶瓷的一种,除了可用来制作高效率、低成本的的固态电池,还可化身成高能量密度的电容。而离子陶瓷由多颗晶粒组成,每颗颗粒则以固定的方式在晶界处接合,接合方式更与燃料或锂电池的电力输出、充放电速度或是充电时间息息相关。

普渡大学材料工程教授 Edwin García 表示,晶界就像是每日限制人们使用手机时间的电量。研究指出,假如想要灵活运用离子陶瓷技术,首先得克服晶界的绝缘效应,一般来说晶界在经过结构变化、电化学反应后,就会发生相变现象(就好比水沸腾变成水蒸气),进而影响材料的性能。

García 表示,这是陶瓷领域 40 年来的一大挑战,科学家直到近 10 年才发现,像是晶界等 2D 材料跟 3D 材料一样可以发生相变。

目前团队已着手分析陶瓷材料,并选用常用于固态氧化物燃料电池(SOFC)的陶瓷材料钇安定氧化锆(YSZ),实验指出,电荷、电压和结构无规律等变化虽然仅会影响 10nm 以内的材料性质,但是这就像蝴蝶效应一样,微小变化也能带动整体系统巨大的连锁反应,材料最终的性能、性质和降解率都会受影响。

研究团队观测晶界的相变过渡变化后,也有绘制出相图(Phase diagram),让科学家可以了解晶界变化与温度、压力之间的关系,García 表示,这些都可应用在能源领域方面。

陶瓷的电性能基本上由其中离子、电子或空穴等电荷的分布及移动来决定,但晶界相变有时会让晶粒变成绝缘体,干扰电池的运作与降低性能。科学家则可透过最佳化设计来高燃料电池或固态电池的续电力,并进一步提升充电速度,García 指出,这项理论可让科学家更容易控制与调整陶瓷材料。

未来研究团队盼可更了解晶界的变化,并希望以电池实验证明其理论。若是成功开发出新型固态电池,将对未来的电动车与储能系统大有帮助,或许未来人们将不再需要烦恼电解质外泄或是易燃等安全性问题,目前研究已发表在《Nature journal Computational Materials》。

  • New theory could lead to better batteries, fuel cells

(首图为示意图,来源:pixabay)

2019-03-05 17:18:00

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