首次直接观察燃料电池内部的空间电荷层

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东京大学的研究小组首次成功直接观察了燃料电池固体电解质内部的空间电荷层。
固体氧化物燃料电池（SOFC）因其二氧化碳排放量低、发电效率高而被期待成为清洁能源。SOF​​C 使用氧化钇稳定立方氧化锆（YSZ）和其他氧离子导体作为固体电解质。
然而，材料内部无数晶粒之间的界面（晶界）离子电导率的急剧下降是一个问题，很早以前就有人提出，造成这种下降的原因是晶界附近分布着纳米范围的空间电荷层。
直接观察这些层极其困难，而空间电荷层是否真正存在于晶界处的基本问题仍未得到解答。
在这项发表在《自然通讯》上的研究中，东京大学工学研究科助理教授Satoko Toyama、讲师Takehito Seki、项目副教授Bin Feng、特聘研究教授Yuichi Ikuhara和所长兼工程创新研究所教授Naoya Shibata通过使用先进的电子显微镜观察局部电场，成功地直接证明了YSZ晶界处空间电荷层的存在。
此外，研究人员在几个具有不同晶体取向（晶体结构中原子的排列方式）的晶界处进行了类似的观察，成功找到了不存在空间电荷层的晶界。
结合电子显微镜对原子结构的观察，他们发现空间电荷层与晶粒边界的晶体取向和原子结构有很强的相关性。研究人员发现，通过控制晶粒边界的结构，可以消除空间电荷层，降低晶粒边界处离子传导的阻力。
该研究对于阐明电池材料晶界处离子传导阻力的原因迈出了重要一步，并有望为未来改善电池材料性能制定新的指导方针。
此次研发成果是SHIBATA超原子分辨率电子显微镜研究项目的一部分，该项目旨在开发一种超越传统原子分辨率电子显微镜的超原子分辨率电子显微镜新测量技术，可以在从极低温到高温的温度范围内同时观察原子尺度结构和电磁场分布。这将使我们能够直接观察材料和生物功能的起源。