Ионная керамика состоит из множества граненых «зерен», границы которых воздействуют на важнейшие параметры аккумуляторов. От этого зависит, сколько энергии отдает топливный элемент, как быстро заряжается и как долго держит заряд. Одна из задач, стоящих перед инженерами, — преодоление изолирующего эффекта границы зерен, которые подвергаются фазовому переходу, что влияет на свойства материала.

«Эта проблема существует в области керамики последние 40 лет», — говорит профессор Эдвин Гарсия из Университета Пердью. Однако только в последние десять лет ученые поняли, что двумерным материалам так же свойственен фазовый переход, как трехмерным, пишет Phys.org.

Команда профессора Гарсии разработала новую теорию, которая описывает процессы, которые происходят на поверхности между крошечными зернами. Их работа расширяет революционное исследование Джона Кана в области металлов, за которое он получил Национальную научную медаль 1998 года.

Новая теория показывает, что в этих поверхностях происходит фазовый переход, который оставался ранее незамеченным.

Фазовые переходы в двумерных поверхностях могут включать изменения заряда, напряжения и структурный беспорядок, который воздействует на свойства материала в масштабе 10 нм, но влияют также на производительность, свойства и деградацию в макромасштабе.

Теория уже подтверждена на примере стабилизированного иттрием циркония, но применима не только к нему, но и к другим видам керамики. Это тот шаг, который даст твердотельным батареям преимущество над современными литий-ионными. И, возможно, решающее, так как керамические батареи будут и легче, и безопаснее. Первое крайне важно для электромобилей, второе — для бытовой электроники.

Одну из ключевых проблем твердотельных аккумуляторов смогли решить японские ученые. Благодаря использованию ультравысокого вакуума они снизили сопротивление на границе электрода и электролита.