Nuevo avance en la pila de combustible de membrana cerámica de protones: la temperatura de funcionamiento de la batería procesada es tan baja como 350 ℃
En cuanto a las perspectivas de aplicación de este logro, dijo: "En términos de celdas electroquímicas mejoradas, las PCEC (celdas de combustible de protones) de alto rendimiento nos permiten reducir la temperatura de funcionamiento de la electrólisis del agua a alta temperatura para obtener hidrógeno. producción a 350°C. Este proceso podría abrir la puerta a muchas aplicaciones para "hidrógeno limpio y verde". Es más, esta tecnología opera en el mismo rango de temperatura que varios procesos industriales importantes, incluida la producción de amoníaco y la reducción de emisiones de CO2. "Igualizar estas temperaturas acelerará la adopción de esta tecnología en las industrias existentes". En términos de tecnología de ingeniería de interfaz, la tecnología reportada esta vez puede usarse ampliamente en dispositivos electroquímicos de estado sólido, como dispositivos de estado sólido. . La batería de litio de estado sólido es una tecnología de batería de litio de vanguardia y todos los países la están desarrollando vigorosamente. La humectación interfacial es uno de sus principales cuellos de botella. La tecnología de tratamiento con ácido puede mejorar eficazmente la humectabilidad interfacial de las baterías totalmente de estado sólido, mejorando así el rendimiento y la estabilidad de la batería.
Precisamente por su gran aplicabilidad, confía en la incubación comercial de este resultado: "Nuestro próximo plan de investigación se divide en dos aspectos. Uno es integrar una serie de tecnologías de preparación existentes, expandirlas, modularizarlas y e incluso comercializar dispositivos electroquímicos. Por otro lado, es ampliar y profundizar aún más la cooperación con otras universidades e instituciones de investigación en los campos de la síntesis química electroquímica y la reducción de carbono industrial. ”
Funciona bien a 350°. C casi sin degradación del rendimiento durante cientos de horas.
Se informa que él y sus colaboradores han demostrado experimentalmente que las baterías tratadas con ácido producen 150 más hidrógeno por unidad de área a 600°C que cualquier batería anterior, y a 350°C Funciona bien con casi ningún rendimiento. degradación durante cientos de horas. Este enfoque se puede ampliar e integrar fácilmente en la fabricación de celdas y paquetes de baterías de gran tamaño.
El profesor Hu, director del Centro de Innovación de Materiales del Instituto de Maryland para la Innovación Energética, dijo que no participó en este trabajo, pero su evaluación decía: "Los autores informan de un método sorprendente, simple y extremadamente eficiente. Métodos de tratamiento de superficies para mejorar significativamente la interfaz y mejorar el rendimiento de la batería a un nivel "excelente".
El 20 de abril, se publicó un artículo relacionado en la revista "Nature" titulado "Acid Corrosion Activation". Células Cerámicas de Protones".
Según Wu Wei, las fuentes de energía renovables, incluidas la energía eólica, la energía solar y la energía mareomotriz, han proporcionado a la sociedad cada vez más electricidad limpia. Una de las principales características de las fuentes de energía renovables es que son inestables y fluctúan significativamente con el clima, por lo que la electricidad limpia generalmente se almacena durante un tiempo limitado y el costo de utilizar estas fuentes de energía limpia es muy limitado. La producción de hidrógeno y otros químicos y combustibles orgánicos a partir de electricidad es otra forma de almacenarla.
Se sabe que el hidrógeno es un combustible verde, en parte porque se quema. En este momento, el producto es sólo agua. hidrógeno La mayor parte del hidrógeno que utilizamos hoy en día se obtiene mediante la conversión de vapor de hidrocarburos (como el gas natural), que requiere un gas de alimentación de hidrocarburos y produce carbono como subproducto. Menos adecuado para la producción sostenible. >Por lo tanto, el desarrollo de células electroquímicas nuevas y más eficientes, como las células de electrólisis de combustibles de óxido sólido, podría permitir la generación de energía distribuida y químicas de hidrógeno bajas o incluso libres de carbono. Científicos de todo el mundo también han estado desarrollando células electroquímicas principalmente para producir hidrógeno. Sin embargo, el hidrógeno producido por estas células también se puede utilizar como combustible para calefacción, transporte, producción química u otras aplicaciones. La premisa es que los científicos deben superar una serie de desafíos en materiales y preparación, incluido cómo fabricar más baterías. eficiente, más estable y más barato de fabricar.
Hablando de esto, Wu Wei hizo una breve divulgación científica: Hay tres tipos principales de baterías de electrólisis electroquímica.
El primer tipo funciona a temperatura ambiente, como las baterías de membrana de intercambio de protones. Su principal problema es que son ineficientes y requieren metales raros como el platino.
¿El segundo está en 700? c o superior, como la batería conductora de iones de oxígeno. Tienen una alta eficiencia de electrólisis, pero los metales se oxidan fácilmente o reaccionan con otros elementos para formar corrosión a altas temperaturas, por lo que el equipo requiere una estricta tecnología de sellado y aislamiento.
La tercera, PCEC, es una solución de batería electroquímica más prometedora. Al igual que las baterías recargables utilizan la química para almacenar electricidad para su uso posterior, PCEC convierte el exceso de electricidad y agua en hidrógeno. PCEC también puede funcionar a la inversa, convirtiendo el hidrógeno en electricidad. La tecnología utiliza materiales cristalinos llamados perovskitas, que son baratos y pueden funcionar en un amplio rango de temperaturas. Mientras tanto, el rango de trabajo principal de PCEC está entre 300 y 600? c. Reducir aún más los costos operativos y de fabricación.
Teóricamente, el conductor de protones tiene alta conductividad y baja energía de activación, por lo que el rendimiento de PCEC será naturalmente superior. Sin embargo, Wu Wei y sus colaboradores habían observado hacía tiempo que su rendimiento era inferior al esperado en simulaciones teóricas. Desde 2017, él y sus colegas del Laboratorio Nacional de Idaho han intentado comprender el motivo.
Decía: "Después del mismo diseño experimental y observación, descubrimos que el problema es la transmisión de protones (átomos de hidrógeno cargados positivamente) en la interfaz electrodo/electrolito. Específicamente, el problema entre el electrodo y El electrolito La combinación no era ideal. Posteriormente, durante el proceso de preparación de la batería, agregamos un paso simple de tratamiento con ácido para lograr una combinación ajustada del electrodo y el electrolito, lo que permitió un transporte de iones más eficiente.
En. una serie. Después de una caracterización detallada, se descubrió que el tratamiento con ácido aumentaba el área de contacto entre el electrodo y el electrolito. El aumento de la superficie crea una unión más estrecha entre el electrodo y el electrolito, lo que permite un transporte de protones más eficiente. Además, también se ha mejorado significativamente la estabilidad de la batería en algunas condiciones extremas.
Mejorar significativamente el rendimiento de la batería, la termodinámica y la estabilidad electroquímica.
Más detalladamente, la idea central de este artículo es que se espera que las celdas electroquímicas de membrana cerámica de protones funcionen por debajo de 350. Aunque se ha demostrado la alta conductividad de protones del electrolito, no se puede utilizar completamente en celdas electroquímicas completas por razones desconocidas. En este estudio, Wu Wei et al. revelaron que estos problemas se deben a un mal contacto de la interfaz entre el electrodo de oxígeno y el electrolito después del tratamiento secundario a alta temperatura.
Este estudio demuestra que el tratamiento con ácido simple puede reparar eficazmente la superficie del electrolito después del tratamiento secundario a alta temperatura, produciendo así una unión reactiva entre el electrodo de oxígeno y el electrolito, mejorando el rendimiento electroquímico y la estabilidad.
¿Este método puede ser tan bajo como 350? c tiene un excelente rendimiento de celda de combustible de membrana cerámica de protones y puede mantener 600? La densidad de potencia máxima en el punto C es 1,6 W por centímetro cuadrado, 450? c es 650 milivatios por centímetro cuadrado, 350? c es 300 milivatios por centímetro cuadrado, y a 1,4 V y 600? El funcionamiento estable de la electrólisis y la densidad de corriente en C es superior a 3,9 amperios por centímetro cuadrado.
Se informa que se espera que las celdas electrolíticas/de combustible de membrana cerámica de protones (PCFC/PCEC) logren una conversión reversible de energía química y energía eléctrica en aplicaciones de temperatura media (300-600) debido a su alta eficiencia. y cero emisiones.
Uno de sus ingredientes clave es un electrolito de óxido con estructura de perovskita. Debido a su pequeña energía de activación y alta conductividad de protones, puede funcionar a temperaturas más bajas que las celdas electrolíticas/de combustible de óxido sólido (SOFC/SOEC) basadas en conductores de iones de oxígeno.
Sin embargo, todavía existen algunos desafíos relacionados con los electrolitos que limitan la aplicación de PCFC/PCEC. En primer lugar, aunque el electrolito sinterizado presenta una alta conductividad de protones (por ejemplo, a 500 >: 10 mS cm 1), la resistencia óhmica en la celda electroquímica es mayor que el valor teórico estimado sólo a partir de la conductividad iónica en masa, y tiene un "origen desconocido". Se cree que esta inconsistencia se debe a un mal contacto entre el electrodo de oxígeno y el electrolito. En segundo lugar, las propiedades mecánicas de la interfaz entre el electrodo de oxígeno y el electrolito son débiles, lo que puede provocar pérdidas en forma de delaminación, especialmente en ciclos de celdas electrolíticas de alta densidad de corriente.
Es importante saber que la celda electrolítica/combustible de membrana cerámica de protones generalmente se sinteriza a una temperatura alta T1, luego se serigrafia o se pinta sobre la capa del electrodo de oxígeno y luego se sinteriza una segunda vez a una temperatura más baja. temperatura T2.
Sin embargo, la densificación de electrolitos de membrana cerámica de protones es difícil y requiere sinterización a alta temperatura. Aunque aparentemente no tiene relación con el rendimiento de toda la batería a 400-600 °C, Wu Wei et al creen que una baja área de contacto real y una alta impedancia de interfaz tienen las mismas raíces que una sinterización deficiente causada por una transferencia de masa de baja velocidad.
De hecho, la situación es aún peor para la sinterización T2 (~1000°C): el electrodo de oxígeno poroso debe estar unido por difusión a la superficie del electrolito completamente recocido (teniendo en cuenta la sinterización limitada sobre un sustrato monocristalino). (una analogía extrema), T2 también debe ser lo suficientemente bajo para evitar la aspereza del electrodo de oxígeno poroso y permitir el transporte de gas y la catálisis.
Teniendo en cuenta la situación anterior, el equipo propuso un método de tratamiento ácido para activar y reparar la superficie del electrolito recocido a alta temperatura antes de combinarlo con el electrodo de oxígeno. Demostraron que este enfoque puede restaurar completamente la conductividad teórica de los protones en las celdas electroquímicas y mejorar significativamente el rendimiento, la termodinámica y la estabilidad electroquímica de la batería.
Wu Wei dijo que el proyecto no habría sido posible sin la cooperación y dedicación de todos los miembros del equipo desde el establecimiento del proyecto hasta el anuncio de los resultados. El trabajo fue realizado por tres organizaciones, incluido el Laboratorio Nacional de Idaho, el Instituto de Tecnología de Massachusetts y la Universidad de Nebraska. El equipo mantiene una comunicación semanal por videoconferencia y todos pueden compartir, discutir y estudiar contramedidas de inmediato cuando encuentren problemas.
Como ocurre con la mayoría de las investigaciones científicas, habrá desafíos y problemas desde la ideación hasta la implementación. Muchas veces, es posible que el trabajo duro no dé sus frutos. "Solo podemos hacer lo que hemos aprendido, hacer lo que podamos, confiar en la fuerza colectiva para resolver problemas científicos y dejar el resto a la suerte. Este trabajo ha logrado ciertos resultados y todos estamos muy contentos. Esta vez la suerte está en nuestras manos de esta manera", dijo.
-Fin-
Apoyo: Wang Beibei.
Referencia:
1. Bian, Wu, Wang, et al. Activación por corrosión ácida de interfaces de baterías cerámicas próticas. Naturaleza 604, 479–485 (2022). https://doi.org/10.1038/s 41586-022-04457-y