固体氧化物燃料电池（SOFC）二氧化碳排放量低、发电效率高，有望成为一种清洁能源。 SOFC 使用钇稳定立方氧化锆（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）离子电导率急剧下降是一个问题，长期以来，人们一直认为导致离子电导率下降的原因是晶界附近纳米范围内分布的空间电荷层。 直接观察这些电荷层非常困难，晶界处是否真的存在空间电荷层这一根本问题一直没有答案。
在这项发表于 Nature Communications 的研究中，东京大学工学研究科工程创新研究所的研究人员通过使用先进的电子显微镜观测局部电场，成功地直接证明了 YSZ 晶界存在空间电荷层。
此外，研究人员还对具有不同晶体取向（原子在晶体结构中的排列方式）的多个晶界进行了类似的观察，并成功找到了不存在空间电荷层的晶界。 结合使用电子显微镜进行的原子结构观察，他们发现空间电荷层与晶界的晶体取向和原子结构密切相关。 研究人员发现，通过控制晶界结构，可以消除空间电荷层，降低晶界处的离子传导阻力。 这项研究在阐明电池材料晶界处离子传导阻力的成因方面迈出了重要一步，有望为今后提高电池材料的性能制定新的指导方针。
这项研发成果是 "SHIBATA 超原子分辨电子显微镜 "研究项目的一部分，该项目旨在开发一种可称为超原子分辨电子显微镜的新测量技术，它超越了传统的原子分辨电子显微镜，可同时观测从极低温到高温温度范围内的原子尺度结构和电磁场分布。 这将有助于直接观察材料和生物功能的起源。
原文链接： Satoko Toyama et al, Direct observation of space-charge-induced electric fields at oxide grain boundaries, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-53014-w
