Учёные разработали новый материал для создания более совершенных аккумуляторов и топливных элементов

Группа исследователей под руководством Генки Кобаяши из Кластера новаторских исследований RIKEN в Японии разработали твёрдый электролит, предназначенный для транспортировки ионов гидрида (H?) при комнатной температуре. Специалисты говорят, что это прорыв в сфере полноценного использования преимуществ топливных элементов и твёрдотельных аккумуляторов. Речь идёт об эффективности, повышенной безопасности и энергетической плотности. Эти параметры необходимы для продвижения к энергетической экономике на базе водорода.

Свое исследование учёные опубликовали здесь. Чтобы хранение энергии и водородное топливо смогли широко распространиться в современной энергетике, эти технологии должны быть безопасными, максимально простыми и высокоэффективными. В некоторых электромобилях, которые выпускаются сейчас, используются топливные элементы на базе водорода. Они позволяют протонам водорода проходить от одного конца топливного элемента до другого. При этом они проходят через полимерную мембрану во время выработки энергии. Стоит отметить, что для высокоскоростного и эффективного движения водорода в этих топливных элементах применяется вода. Это значит, что мембрана должна постоянно увлажняться.

Такое ограничение, касающееся увлажнения мембраны, создаёт дополнительный уровень сложности. В результате стоимость конструкции аккумуляторов и топливных элементов увеличивается. Это ограничивает практичность энергетики на базе водорода следующего поколения. Для решения данной проблемы учёные стараются изо всех сил разработать технологию проведения отрицательных ионов гидрида через твердые материалы. Особенно остро эта проблема стоит при комнатной температуре.

Кобаяши утверждает, что движение к обозначенной цели закончилось, и они достигли настоящей вехи. Результатом этого стала первая демонстрация твердого электролита, который проводит гибридные ионы при комнатной температуре. Команда исследователей проводила эксперименты с гидридами лантана (LaH3-?) по нескольким причинам. Дело в том, что водород относительно легко выделяется и захватывается, проводимость гидридных ионов весьма высокая. Они могут работать при температуре ниже 100° и обладают кристаллической структурой.

Однако при комнатной температуре количество атомов водорода, присоединённых к лантану, находится в интервале от 2 до 3. В результате эффективная проводимость становится невозможной. Данная проблема называется водородной нестехиометрией и она является большим препятствием, которая преодолевается в новом исследовании. Когда учёные заменили часть лантана на стронций (Sr) и добавили немного кислорода, то получили именно те результаты, которые им были нужны. Базовые формулы вещества выглядит следующим образом: La1-xSrxH3-x-2yOy.

Учёные подготовили кристаллические образцы материала при помощи шаровой мельницы с последующим отжигом. Они изучили полученные образцы при комнатной температуре. Оказалось, что они могут проводить ионы гидрида с высокой скоростью. После этого была протестирована работа в твердотельном топливном элементе, который изготовлен из нового материала и титана. При изготовлении варьировалась количество стронция и кислорода в используемой формуле. Оптимальное значение содержания стронция составило не менее 0,2. При этом наблюдалось полная стопроцентная конверсия титана в гидрид титана (TiH2). Это значит, что впустую было потрачено 0 гидрид-ионов.

В краткосрочной перспективе полученные результаты должны стать направлением по проектированию материалов, используемых в твердых электролитах, которые проводят гидридные ионы, говорит Кобаяши. В долгосрочной перспективе, считает он, их исследование является переломным моментом в разработке аккумуляторов, электролитических элементов и топливных элементов, которые работают на водороде.

В качестве следующего шага называется улучшение характеристик и создание электронных материалов, которые способны обратимо выделять и поглощать водород. Это позволит перезаряжать аккумуляторы, а также хранить водород и легко высвобождать его при необходимости. Эти возможности являются ключевыми для расширения использования энергии на основе водорода.