東京大學的研究團隊首次成功直接觀察燃料電池固態電解質內的空間電荷層。

固態氧化物燃料電池（SOFC）因其二氧化碳排放量低和發電效率高而有望成為清潔能源。SOFC 使用氧化釔穩定的立方氧化鋯 (YSZ) 和其他氧離子導體作為固體電解質。

然而，無數晶粒之間的界面處的離子電導率急劇下降（晶界）材料內部是一個問題，長期以來人們提出這種下降的原因是分佈在晶界附近奈米範圍內的空間電荷層。

直接觀察這些層是極其困難的，而且空間電荷層是否真的存在於晶界處的基本問題仍然沒有得到解答。

在這個學習，發表於自然通訊、東京大學工學研究科研究生院工程創新研究所所長兼教授柴田直哉、遠山佐藤助理教授、關武仁講師、馮斌計畫副教授、特聘研究教授育原雄一、東京大學工學研究科工程創新研究所所長柴田直哉教授等直接成功地透過使用先進電子顯微鏡觀察局部電場，證明了 YSZ 晶界處空間電荷層的存在。

此外，在具有不同晶體取向（原子排列方式）的幾個晶界處也進行了類似的觀察。晶體結構），研究人員成功找到了不存在空間電荷層的晶界。

透過將其與電子顯微鏡的原子結構觀察相結合，他們發現空間電荷層與晶界的晶體取向和原子結構密切相關。研究人員發現，透過控制晶界的結構，可以消除空間電荷層，並降低晶界處離子傳導的阻力。

這項研究代表著在闡明電池材料晶界處離子傳導電阻的原因方面邁出了重要一步，並有望為未來提高電池材料​​的性能建立新的指導方針。

這項開發成果是SHIBATA超原子分辨率電子顯微鏡研究計畫的一部分，該計畫旨在開發一種新的測量技術，可以稱為超原子分辨率電子顯微鏡，超越傳統的原子分辨率電子顯微鏡，可以同時觀察從極低到高溫的溫度範圍內的原子尺度結構和電磁場分佈。這將使直接觀察材料的起源和生物功能成為可能。

提供者：日本科學技術振興機構 (JST)