Российские ученые предложили новый материал для топливных элементов

Новый материал, устойчивый к длительным температурным и токовым нагрузкам, для анион-проводящей мембраны твердого электролита твердооксидных топливных элементов разработала команда российских физиков, 5 декабря сообщает журнал МФТИ «За науку».

Результаты исследования нового материала ученые представили в статье «Долговременная стабильность электропроводности электролитических мембран из стабилизированного оксидом скандия диоксида циркония, совместно легированных оксидом иттербия», опубликованной в журнале Membranes.

Жидкие электролиты, представляющие собой водные растворы или расплавы солей и кислот, давно известны и широко используются в аккумуляторах и батарейках, а также для получения и очистки металлов, щелочей, органических соединений, для никелирования и анодирования.

Однако существуют и твердые электролиты. При их использовании в системах накопления энергии можно значительно увеличить удельную энергоемкость и, соответственно, уменьшить размеры батарей для использования, например, в электромобилях.

Именно твердые электролиты помогут создать наиболее эффективные устройства для получения электроэнергии из газообразных углеводородов, такие как батареи и энергетические установки на твердооксидных топливных элементах (ТОТЭ).

Заведующий лабораторией топливных элементов МФТИ, доцент Физтех-школы электроники, фотоники и молекулярной физики Дмитрий Агарков пояснил выбор темы исследования:

«Одной из актуальных проблем является эффективное получение чистой электроэнергии из ископаемых углеводородных источников с минимальными выбросами загрязняющих веществ и углекислого газа в атмосферу. Твердооксидные топливные элементы играют важную роль в достижении этой цели — на сегодняшний день неизвестен более эффективный метод преобразования химической энергии топлива в электрическую».

Поскольку хорошо известными твердыми электролитами, которые используются в качестве электролитических мембран в ТОТЭ, являются материалы на основе диоксида циркония (ZrO₂), исследования команды российских ученых сосредоточились на этих материалах.

Топливные элементы предназначены для выработки электроэнергии и тепла за счет электрохимической реакции. Его основными составляющими являются электролит, катод и анод. Твердооксидные топливные элементы, в которых токогенерирующие реакции идут при 600–1000 °С, используются в стационарных электростанциях в качестве автономных источников тепло- и электроснабжения.

Высокие рабочие температуры вкупе с высокими токовыми нагрузками приводят при длительной работе к деградации (старению и ухудшению характеристик) электролитических мембран. Это ставит перед учеными задачу изучения процессов, происходящих в ТОТЭ, для определения оптимальных условий работы, удлиняющих срок их эксплуатации.

Поскольку высокая рабочая температура в ТОТЭ является одним факторов деградации, команда ученых сосредоточилась на исследованиях возможности ее снижения и повышения устойчивости материалов.

Причинами старения твердых электролитов на основе ZrO₂ являются: распад твердого раствора с образованием новых фаз, упорядочение катионов и кислорода в кристаллической решетке и изменение электропроводности границ зерен.

Команда российских физиков в данном исследовании изучала процессы старения при отжиге твердых электролитов на основе диоксида циркония, стабилизированного оксидами различных редкоземельных элементов.

С этой целью они вырастили монокристаллы диоксида циркония с легирующими добавками из расплава методом направленной кристаллизации, нагревая порошки оксидов циркония, скандия и иттербия чистотой не менее 99,99% высокочастотным генератором с частотой 5,28 МГц и мощностью на выходе 63 кВт.

Порошки сначала механически смешивали в необходимых пропорциях и загружали в тигель для нагрева, где в результате получали поликристаллический слиток из нескольких десятков отдельных монокристаллов. Их размеры составляли 40 мм в длину и 20 мм в диаметре. Исследователи отмечают, что если увеличить массу расплава, то данным методом можно вырастить монокристаллы диаметром до 100 мм.

Структурные и электрофизические исследования проводились на пластинах толщиной 0,5 мм, вырезанных из центральной части монокристаллов перпендикулярно направлению роста. При этом исследовались образцы с различной концентрацией добавок.

Структурный анализ показал, что последовательная замена оксида скандия на оксид иттербия приводит к монотонному увеличению параметра решетки, свидетельствующему о полной растворимости оксида иттербия и образования твердого раствора.

Электрофизические исследования показали, что в образцах с 2% иттербия после состаривания изменяется фазовый состав, что приводит к уменьшению проводимости на 55%. Но образцы с 1% иттербия при длительном воздействии высоких температур практически не стареют, сохраняя свой фазовый состав: 4800 часов выдержки при температуре 1123 °К вызвали деградацию проводимости не более 4%.

Данные исследования российских ученых будут востребованы при создании устройств с батареями на основе твердых электролитов, например, в потенциометрических датчиках состава газа, кислородных насосов, электролизеров и др.

В исследовании нового материала для мембран ТОТЭ приняли участие специалисты из Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН, Института физики твердого тела им. Ю. А. Осипьяна РАН, Национального исследовательского технологического университета «МИСиС», Московского физико-технического института (МФТИ) и Московского политехнического университета.