Ερευνητές με επικεφαλής τον Genki Kobayashi στο RIKEN Cluster for Pioneering Research στην Ιαπωνία ανέπτυξαν έναν στερεό ηλεκτρολύτη για τη μεταφορά ιόντων υδριδίου (H-) σε θερμοκρασία δωματίου. Με αυτή την τεχνολογία που βασίζεται στο λανθάνιο, λύνεται ένα τεράστιο πρόβλημα στη χρήση του υδρογόνου ως καυσίμου: η μεταφορά του και η δυνατότητα διέλευσης των ιόντων στα ενεργειακά κύτταρα.
Χάρη σε αυτήν την ανακάλυψη, τα οφέλη των μπαταριών στερεάς κατάστασης και των κυψελών καυσίμου με βάση το υδρογόνο είναι εφικτά, συμπεριλαμβανομένης της βελτιωμένης ασφάλειας, απόδοσης και ενεργειακής πυκνότητας, απαραίτητα για την πρόοδο προς μια ενεργειακή οικονομία βασισμένη στο υδρογόνο. Η μελέτη δημοσιεύτηκε στο επιστημονικό περιοδικό Advanced Energy Materials.
Για να γίνει πιο διαδεδομένη η αποθήκευση ενέργειας και το καύσιμο υδρογόνου, πρέπει να είναι ασφαλή, πολύ αποδοτικά και όσο το δυνατόν πιο απλά. Οι τρέχουσες κυψέλες καυσίμου υδρογόνου που χρησιμοποιούνται στα ηλεκτρικά αυτοκίνητα λειτουργούν επιτρέποντας στα πρωτόνια υδρογόνου να περάσουν από το ένα άκρο της κυψέλης καυσίμου στο άλλο μέσω μιας πολυμερούς μεμβράνης για να παράγουν ενέργεια.
Η αποτελεσματική, υψηλής ταχύτητας κίνηση του υδρογόνου σε αυτές τις κυψέλες καυσίμου απαιτεί νερό, πράγμα που σημαίνει ότι η μεμβράνη πρέπει να ενυδατώνεται συνεχώς για να μην στεγνώσει. Αυτός ο περιορισμός προσθέτει ένα επιπλέον επίπεδο πολυπλοκότητας και κόστους στη σχεδίαση μπαταριών και κυψελών καυσίμου που περιορίζει τη βιωσιμότητα μιας ενεργειακής οικονομίας επόμενης γενιάς με βάση το υδρογόνο.
Για να ξεπεραστεί αυτό το πρόβλημα, οι επιστήμονες προσπαθούν να βρουν έναν τρόπο να μεταφέρουν αρνητικά ιόντα υδριδίου μέσω στερεών υλικών, ιδιαίτερα σε θερμοκρασία δωματίου.
Ο Kobayashi είπε: «Φτάσαμε σε ένα πραγματικό ορόσημο. Το αποτέλεσμά μας είναι η πρώτη επίδειξη ενός στερεού ηλεκτρολύτη που μεταφέρει ιόντα υδριδίου σε θερμοκρασία δωματίου».
Η ομάδα πειραματίστηκε με υδρίδια του λανθανίου (LaH3-δ) για διάφορους λόγους: το υδρογόνο μπορεί να απελευθερωθεί και να συλληφθεί σχετικά εύκολα, η αγωγιμότητα των ιόντων υδριδίου είναι πολύ υψηλή, μπορούν να λειτουργήσουν σε θερμοκρασίες κάτω των 100°C και έχουν κρυσταλλική δομή.
Ωστόσο, σε θερμοκρασία δωματίου, ο αριθμός των ατόμων υδρογόνου που συνδέονται με το λανθάνιο κυμαίνεται μεταξύ 2 και 3, καθιστώντας την αποτελεσματική αγωγιμότητα αδύνατη. Αυτό το πρόβλημα ονομάζεται μη στοιχειομετρία υδρογόνου και ήταν το κύριο εμπόδιο που ξεπεράστηκε στη νέα μελέτη.
Όταν οι ερευνητές αντικατέστησαν μέρος του λανθάνιου με στρόντιο (Sr) και πρόσθεσαν μόνο μια πρέζα οξυγόνου – για μια βασική φόρμουλα La1-xSrxH3-x-2yOy – πήραν τα επιθυμητά αποτελέσματα.
Η ομάδα ετοίμασε κρυσταλλικά δείγματα του υλικού χρησιμοποιώντας μια διαδικασία που ονομάζεται άλεση με σφαιρίδια, ακολουθούμενη από ανόπτηση. Στη συνέχεια μελέτησαν τα δείγματα σε θερμοκρασία δωματίου και διαπίστωσαν ότι ήταν σε θέση να μεταφέρουν ιόντα υδριδίου με υψηλό ρυθμό.
Στη συνέχεια δοκίμασαν την απόδοσή του σε μια κυψέλη καυσίμου στερεάς κατάστασης κατασκευασμένη από το νέο υλικό και τιτάνιο, μεταβάλλοντας τις ποσότητες στροντίου και οξυγόνου στη φόρμουλα. Με μια βέλτιστη τιμή τουλάχιστον 0,2 στροντίου, παρατήρησαν 100% πλήρη μετατροπή του τιτανίου σε υδρίδιο του τιτανίου ή TiH2. Αυτό σημαίνει ότι σχεδόν μηδενικά ιόντα υδριδίου σπαταλήθηκαν. Εξαιρετική αγωγιμότητα που κάνει τις κυψέλες καυσίμου πολύ πιο αποδοτικές.
Ο Kobayashi είπε: «Βραχυπρόθεσμα, τα αποτελέσματά μας παρέχουν κατευθυντήριες γραμμές για το σχεδιασμό στερεών υλικών ηλεκτρολυτών που μεταφέρουν ιόντα υδριδίου. Μακροπρόθεσμα, πιστεύουμε ότι αυτό είναι ένα σημείο καμπής στην ανάπτυξη μπαταριών, κυψελών καυσίμου και στοιχείων ηλεκτρολυτών που λειτουργούν με υδρογόνο».
Το επόμενο βήμα θα είναι η βελτίωση της απόδοσης και η δημιουργία υλικών ηλεκτροδίων ικανών να απορροφούν και να απελευθερώνουν αναστρέψιμα υδρογόνο. Αυτό θα επέτρεπε την επαναφόρτιση των «μπαταριών αποθήκευσης» και την αποθήκευση υδρογόνου και στη συνέχεια την εύκολη απελευθέρωση όταν χρειάζεται – απαραίτητη προϋπόθεση για τη χρήση ενέργειας με βάση το υδρογόνο.
Αυτό είναι ένα αξιοσημείωτο βήμα προς τα εμπρός για να γίνουν οι κυψέλες καυσίμου πιο πρακτικές, αλλά υπάρχουν ακόμα πρακτικά προβλήματα που πρέπει να επιλυθούν: αυτός ο τύπος κυψελών καυσίμου δεν μπορεί ποτέ να πέσει κάτω από το σημείο πήξης, ούτε για σύντομες στιγμές, ούτε καν εν μέρει, υπό την τιμωρία της μη αναστρέψιμης αποσύνθεσης κρυστάλλων που αγώγουν το υδρογόνο. Αυτό είναι ένα πρόβλημα που δεν έχει ακόμη επιλυθεί, αλλά παρόλα αυτά είναι ένα μεγάλο βήμα προς τα εμπρός στην τεχνολογία κυψελών καυσίμου.
Χάρη στο κανάλι μας στο Telegram, μπορείτε να ενημερώνεστε για τη δημοσίευση νέων άρθρων Οικονομικών Σεναρίων.
Το άρθρο Ένα υλικό που θα μπορούσε να φέρει επανάσταση στις κυψέλες καυσίμου που ανακαλύφθηκε από ομάδες Ιαπώνων ερευνητών προέρχεται από το Economic Scenarios .
Αυτή είναι μια αυτόματη μετάφραση μιας ανάρτησης που δημοσιεύτηκε στο Scenari Economici στη διεύθυνση URL https://scenarieconomici.it/un-materiale-che-potrebbe-rivoluzionare-le-celle-a-combustibile-scoperto-da-team-di-ricercatori-giapponesi/ στις Fri, 12 Jan 2024 20:04:36 +0000.