Výzkumníci v čele s Genki Kobayashi z RIKEN Cluster for Pioneering Research v Japonsku vyvinuli pevný elektrolyt pro transport hydridových iontů při pokojové teplotě. Tento průlom znamená, že výhody polovodičových baterií a palivových článků na bázi vodíku jsou prakticky na dosah, včetně zlepšené bezpečnosti, účinnosti a hustoty energie, které jsou zásadní pro pokrok směrem k praktickému hospodaření s energií založenou na vodíku. Studie byla publikována ve vědeckém časopise Advanced Energy Materials.
Aby se skladování energie a paliva na bázi vodíku rozšířilo, musí být bezpečné, velmi účinné a co nejjednodušší. Současné palivové články na bázi vodíku používané v elektromobilech fungují tak, že při výrobě energie umožňují vodíkové protony procházet z jednoho konce palivového článku na druhý přes polymerní membránu. Efektivní, vysokorychlostní pohyb vodíku v těchto palivových článcích vyžaduje vodu, což znamená, že membrána musí být neustále hydratována, aby nevyschla. Toto omezení přidává další vrstvu složitosti a nákladů na konstrukci baterií a palivových článků, což omezuje praktičnost energetické úspory nové generace na bázi vodíku. Aby tento problém překonali, vědci se snažili najít způsob, jak vést záporné hydridové ionty skrz pevné materiály, zejména při pokojové teplotě.
Čekání je u konce. „Dosáhli jsme skutečného milníku,“ říká vedoucí výzkumu Kobayashi. „Naším výsledkem je první demonstrace pevného elektrolytu vodivého hydridovými ionty při pokojové teplotě."
Tým experimentoval s hydridy lanthanu z několika důvodů: vodík lze poměrně snadno uvolnit a zachytit, vodivost hydridových iontů je velmi vysoká, mohou pracovat pod 100 °C a mají krystalickou strukturu. Při pokojové teplotě však počet vodíků připojených k lanthanu kolísá mezi 2 a 3, což znemožňuje účinné vedení. Tento problém se nazývá vodíková nestechiometrie a byl největší překážkou, kterou nová studie překonala. Když výzkumníci nahradili část lanthanu stronciem a přidali jen špetku kyslíku, dostali výsledky, ve které doufali.
Tým připravil krystalické vzorky materiálu pomocí procesu zvaného kulové mletí, po kterém následovalo žíhání. Studovali vzorky při pokojové teplotě a zjistili, že mohou vést hydridové ionty vysokou rychlostí. Poté testovali jeho výkon v pevném palivovém článku vyrobeném z nového materiálu a titanu, přičemž se měnilo množství stroncia a kyslíku ve vzorci. Při optimální hodnotě alespoň 0,2 stroncia pozorovali úplnou 100% konverzi titanu na hydrid titanu. To znamená, že téměř nula hydridových iontů byla plýtvána.
„V krátkodobém horizontu naše výsledky poskytují pokyny pro návrh materiálů pro pevné elektrolyty vodivé hydridové ionty,“ říká Genki Kobayashi. „Věříme, že z dlouhodobého hlediska je to inflexní bod ve vývoji baterií, palivových článků a elektrolytických článků, které fungují s využitím vodíku." Dalším krokem bude zlepšení výkonu a vytvoření elektrodových materiálů, které mohou reverzibilně absorbovat a uvolňovat vodík. To by umožnilo dobíjet baterie a zároveň by umožnilo skladovat vodík a v případě potřeby jej snadno uvolnit, což je požadavek na využití energie na bázi vodíku.
Zdroj text a foto: Riken
