据外媒报道，东京大学（The University of Tokyo）的研究团队首次成功地直接观察到燃料电池固体电解质内部的空间电荷层。

（图片来源：nature.com）

固体氧化物燃料电池（SOFC）具有二氧化碳排放量低和发电效率高等优点，有望提供清洁能源。SOFC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，这种材料内部无数晶粒之间界面（晶界）的离子电导率会急剧下降。长期以来，人们一直认为这是由晶界附近的空间电荷层（分布在纳米范围内）引起的。这些层很难直接进行观察，而晶界处是否真的存在空间电荷层这一根本问题一直未得到解答。

在这项研究中，东京大学工程研究生院工程创新研究所（Institute of Engineering Innovation）的研究人员利用先进的电子显微镜来观察局部电场，成功地直接证明YSZ晶界处存在空间电荷层。此外，通过在具有不同晶体取向（原子在晶体结构中的排列方式）的多个晶界上进行类似观察，研究人员成功地找到了不存在空间电荷层的晶界。结合电子显微镜下的原子结构观察，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，并降低晶界处的离子传导电阻。

这项研究在阐明电池材料晶界处存在离子传导电阻的原因方面迈出了重要一步，并有助于未来创建新的指导方针，以改善电池材料的性能。

这项研究成果是日本“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新测量技术，以超越传统的原子分辨率电子显微镜，在从极低到高温的温度范围内同时观察原子层面结构和电磁场分布。这将有助于直接“观察”材料和生物功能的起源。