Naukowcy pod kierownictwem Genki Kobayashi z RIKEN Cluster for Pioneering Research w Japonii opracowali stały elektrolit do transportu jonów w temperaturze pokojowej. Przełom ten oznacza, że zalety baterii i ogniw paliwowych na bazie wodoru są w praktycznym zasięgu ręki, w tym zwiększone bezpieczeństwo, wydajność i gęstość energii, które są niezbędne do postępu w kierunku praktycznej gospodarki energetycznej opartej na wodorze. Rezultaty badań zostały opublikowane na łamach Advanced Energy Materials.
Aby magazynowanie energii i paliwa oparte na wodorze stały się bardziej powszechne, muszą być bezpieczne, bardzo wydajne i tak proste, jak to tylko możliwe. Obecne wodorowe ogniwa paliwowe stosowane w samochodach elektrycznych działają poprzez umożliwienie protonom wodoru przejścia z jednego końca ogniwa paliwowego na drugi przez membranę polimerową podczas generowania energii. Wydajny, szybki ruch wodoru w tych ogniwach paliwowych wymaga wody, co oznacza, że membrana musi być stale nawodniona, aby nie dopuścic do jej wyschnięcia. Ograniczenie to wprowadza dodatkową warstwę złożoności i kosztów do konstrukcji baterii i ogniw paliwowych, która ogranicza praktyczność gospodarki energetycznej opartej na wodorze nowej generacji. Aby przezwyciężyć ten problem, naukowcy starali się znaleźć sposób na przewodzenie ujemnych jonów H– przez materiały stałe, szczególnie w temperaturze pokojowej.
Oczekiwanie dobiegło końca
– Osiągnęliśmy prawdziwy kamień milowy. Nasz wynik jest pierwszą demonstracją stałego elektrolitu przewodzącego jony wodorkowe w temperaturze pokojowej – mówi Kobayashi.
Zespół eksperymentował z wodorkami lantanowców (LaH3-δ) z kilku powodów; wodór może być uwalniany i wychwytywany stosunkowo łatwo, przewodnictwo jonów wodorkowych jest bardzo wysokie, mogą pracować w temperaturze poniżej 100°C i mają strukturę krystaliczną. Jednak w temperaturze pokojowej liczba wodorów przyłączonych do lantanu waha się między 2 a 3, co uniemożliwia wydajne przewodzenie. Problem ten nazywany jest niestechiometrią wodoru i był największą przeszkodą pokonaną w nowym badaniu. Kiedy naukowcy zastąpili część lantanu strontem (Sr) i dodali tylko szczyptę tlenu – dla podstawowej formuły La1-xSrxH3-x-2yOy – uzyskali wyniki, na które liczyli.
Zespół przygotował krystaliczne próbki materiału przy użyciu procesu zwanego frezowaniem kulowym, a następnie wyżarzaniem. Naukowcy zbadali próbki w temperaturze pokojowej i odkryli, że mogą one przewodzić jony wodorkowe z dużą szybkością. Następnie przetestowali jego wydajność w półprzewodnikowym ogniwie paliwowym wykonanym z nowego materiału i tytanu, zmieniając ilości strontu i tlenu we wzorze. Przy optymalnej wartości co najmniej 0,2 strontu zaobserwowano całkowitą 100% konwersję tytanu do wodorku tytanu (TiH2). Oznacza to, że prawie wszystkie jony wodorkowych zostały wykorzystane.
– W perspektywie krótkoterminowej nasze wyniki zapewniają wytyczne dotyczące projektowania materiałów dla stałych elektrolitów przewodzących jony wodorkowe. W dłuższej perspektywie uważamy, że jest to punkt zwrotny w rozwoju akumulatorów, ogniw paliwowych i ogniw elektrolitycznych, które działają przy użyciu wodoru – mówił Kobayashi.
Następnym krokiem będzie poprawa wydajności i stworzenie materiałów elektrodowych, które mogą odwracalnie absorbować i uwalniać wodór. Pozwoliłoby to na ładowanie akumulatorów, a także umożliwiłoby przechowywanie wodoru i łatwe uwalnianie go w razie potrzeby, co jest wymogiem dla wykorzystania energii opartej na wodorze.
Izumi et al. (2023) Electropositive Metal Doping into Lanthanum Hydride for H− Conducting Solid Electrolyte Use at Room Temperature. Advanced Energy Materials. doi: 10.1002/aenm.202301993
Źródło: RIKEN, National Research and Development Agency
