美深入研究陶瓷晶體性質,固態電池再獲進展

發佈日期: 2019 年 02 月 27 日 16:00 | 作者: | 分類: 產業資訊

若是想要提高燃料電池或其他儲能系統的性能,科學家除了嘗試新的設計與元素,也紛紛進一步探討材料的運作機制,近期美國科學家便一探離子陶瓷(ionic ceramics)的晶體性質,將對未來的固態電池與燃料電池等儲能技術大有裨益。

離子陶瓷是電子陶瓷的一種,除了可用來製作高效率、低成本的的固態電池,還可化身成高能量密度的電容。而離子陶瓷由多顆晶粒組成,每顆顆粒則以固定的方式在晶界處接合,接合方式更與燃料或鋰電池的電力輸出、充放電速度或是充電時間息息相關。

普渡大學材料工程教授 Edwin García 表示,晶界就像是每日限制人們使用手機時間的電量。研究指出,假如想要靈活運用離子陶瓷技術,首先得克服晶界的絕緣效應,一般來說晶界在經過結構變化、電化學反應後,就會發生相變現象(就好比水沸騰變成水蒸氣),進而影響材料的性能。

García 表示,這是陶瓷領域 40 年來的一大挑戰,科學家直到近 10 年才發現,像是晶界等 2D 材料跟 3D 材料一樣可以發生相變。

目前團隊已著手分析陶瓷材料,並選用常用於固態氧化物燃料電池(SOFC)的陶瓷材料釔安定氧化鋯(YSZ),實驗指出,電荷、電壓和結構無規律等變化雖然僅會影響 10nm 以內的材料性質,但是這就像蝴蝶效應一樣,微小變化也能帶動整體系統巨大的連鎖反應,材料最終的性能、性質和降解率都會受影響。

研究團隊觀測晶界的相變過渡變化後,也有繪製出相圖(Phase diagram),讓科學家可以了解晶界變化與溫度、壓力之間的關係,García 表示,這些都可應用在能源領域方面。

陶瓷的電性能基本上由其中離子、電子或空穴等電荷的分布及移動來決定,但晶界相變有時會讓晶粒變成絕緣體,干擾電池的運作與降低性能。科學家則可透過最佳化設計來高燃料電池或固態電池的續電力,並進一步提升充電速度,García 指出,這項理論可讓科學家更容易控制與調整陶瓷材料。

未來研究團隊盼可更了解晶界的變化,並希望以電池實驗證明其理論。若是成功開發出新型固態電池,將對未來的電動車與儲能系統大有幫助,或許未來人們將不再需要煩惱電解質外洩或是易燃等安全性問題,目前研究已發表在《Nature journal Computational Materials》。

(合作媒體:科技新報。首圖為示意圖,來源:pixabay

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