Des chercheurs de l'Université de Tsukuba, de l'Institut de technologie de Tokyo, de l'Institut de technologie d'Hiroshima, et al. induit un mouvement substantiel des ions oxyde dans les cristaux de pérovskite en utilisant des impulsions de lumière ultraviolette. Un tel mouvement fournit un moyen de stocker de l'énergie dans les cristaux. Ce développement aidera les chercheurs à améliorer la fonctionnalité des électrolytes à l'état solide dans les batteries et les piles à combustible. Crédit : Université de Tsukuba
Des chercheurs de l'Université de Tsukuba utilisent des impulsions de lumière ultraviolette pour accéder à des propriétés de conducteur d'ions qui sont autrement difficiles à atteindre en toute sécurité.
L'industrie automobile et d'autres industries travaillent d'arrache-pied pour améliorer les performances des batteries rechargeables et des piles à combustible. Maintenant, des chercheurs japonais ont fait une découverte qui ouvrira de nouvelles possibilités pour la stabilité environnementale future dans cette ligne de travail.
Dans une étude récemment publiée dans Matériaux appliqués aujourd'hui, des chercheurs de l'Université de Tsukuba ont révélé que la lumière ultraviolette peut moduler le transport des ions oxydes dans un cristal de pérovskite à température ambiante, et ont ainsi introduit un domaine de recherche auparavant inaccessible.
Les performances des électrolytes des batteries et des piles à combustible dépendent des mouvements des électrons et des ions dans l'électrolyte. La modulation du mouvement des ions d'oxyde dans l'électrolyte pourrait améliorer les futures fonctionnalités des batteries et des piles à combustible, par exemple en augmentant l'efficacité du stockage et de la production d'énergie. L'utilisation de la lumière pour moduler les mouvements des ions - ce qui élargit la source d'apports d'énergie possibles - n'a été démontrée à ce jour que pour les petits ions tels que les protons. Surmonter cette limitation des mouvements ioniques réalisables est quelque chose que les chercheurs de l'Université de Tsukuba ont cherché à résoudre.
"Traditionnellement, le transport d'atomes lourds et d'ions dans des matériaux à l'état solide a été un défi", déclare le co-auteur principal de l'étude, le professeur Masaki Hada. "Nous avons entrepris de concevoir un moyen simple de le faire d'une manière qui s'intègre parfaitement aux apports énergétiques durables."
Pour ce faire, les chercheurs se sont concentrés sur des cristaux de double pérovskite de cobalt qui sont similaires aux matériaux courants dans la recherche sur les piles à combustible. Ils ont découvert que la lumière ultraviolette brillante sur les cristaux à température ambiante déplace les ions d'oxyde sans détruire les cristaux, ce qui signifie que la fonction des cristaux est conservée.
"Les résultats de diffraction électronique, les résultats de spectroscopie et les calculs correspondants ont confirmé cette interprétation", explique le professeur Hada. "A une énergie délivrée de 2 millijoules par centimètre carré, environ 6% des ions oxyde subissent un désordre substantiel dans les cristaux en quelques picosecondes, sans endommager le cristal."
Les liaisons cobalt-oxygène limitent généralement considérablement le mouvement des oxydes, mais le transfert d'électrons induit par la lumière ultraviolette peut rompre ces liaisons. Cela facilite le mouvement des ions oxyde d'une manière qui accède à plusieurs états pertinents pour stocker l'apport d'énergie lumineuse.
Ces résultats ont des applications diverses. Une meilleure compréhension de la façon d'utiliser la lumière pour manipuler les structures cristallines pertinentes pour le stockage de l'énergie, d'une manière qui n'endommage pas les cristaux, ouvrira de nouvelles possibilités dans les systèmes d'énergie renouvelable à l'échelle commerciale.
Référence : "Transport d'oxygène photoinduit dans le cristal de double pérovskite de cobalt EuBaCo2O5.39” par Masaki Hada, Satoshi Ohmura, Tadahiko Ishikawa, Masaki Saigo, Naoya Keio, Wataru Yajima, Tatsuya Suzuki, Daisuke Urushihara, Kou Takubo, Yusuke Masaki, Makoto Kuwahara, Kenji Tsuruta, Yasuhiko Hayashi, Jiro Matsuo, Takayoshi Yokoya, Ken Onda, Fuyuki Shimojo, Muneaki Hase, Sumio Ishihara, Toru Asaka, Nobuyuki Abe, Taka-hisa Arima, Shin-ya Koshihara et Yoichi Okimoto, 2 septembre 2021, Matériaux appliqués aujourd'hui.
DOI : 10.1016/j.apmt.2021.101167
Financement : Ce travail a été soutenu par la Japan Society for the Promotion of Science (numéros de subvention JSPS KAKENHI JP17H06375, JP18H05208, JP20H05106, JP20H04657 et JP20H01832) et la Leading Initiative for Excellent Young Researchers, MEXT, Japon. Masaki Saigo a reçu le soutien financier de la bourse de recherche JSPS pour jeunes scientifiques.
