En utilisant des méthodes de calcul avancées, Les scientifiques des matériaux de l'Université du Wisconsin-Madison ont découvert de nouveaux matériaux qui pourraient rapprocher de la réalité l'utilisation commerciale généralisée des piles à combustible à oxyde solide.

Une pile à combustible à oxyde solide est essentiellement un moteur qui offre un autre moyen de brûler des combustibles fossiles ou de l'hydrogène pour produire de l'électricité. Ces piles à combustible brûlent leur combustible par voie électrochimique plutôt que par combustion, et sont plus efficaces que n'importe quel moteur à combustion pratique.

En tant que technologie énergétique alternative, Les piles à combustible à oxyde solide sont polyvalentes, source d'énergie très efficace qui pourrait jouer un rôle vital dans l'avenir de l'énergie. Les piles à combustible à oxyde solide pourraient être utilisées dans une variété d'applications, de servir d'alimentation électrique pour les bâtiments à l'augmentation de l'efficacité énergétique des véhicules.

Cependant, les piles à combustible à oxyde solide sont plus coûteuses que les technologies énergétiques conventionnelles, et cela a limité leur adoption.

"De meilleurs catalyseurs cathodiques peuvent permettre un fonctionnement à basse température, ce qui peut augmenter la stabilité et réduire les coûts, vous permettant potentiellement de retirer votre bâtiment du réseau électrique et de l'alimenter à la place avec une pile à combustible à oxyde solide fonctionnant au gaz naturel, " dit Dane Morgan, professeur de science des matériaux et d'ingénierie à l'UW-Madison. « Si nous pouvons en arriver là avec des piles à combustible à oxyde solide, l'infrastructure électrique de nombreux bâtiments du pays pourrait changer, et ce serait une très grande transformation vers une infrastructure électrique plus décentralisée. »

Dirigé par Morgan et Ryan Jacobs, un scientifique du groupe de recherche de Morgan, une équipe d'ingénieurs de l'UW-Madison a exploité des techniques de calcul basées sur la mécanique quantique pour rechercher de nouveaux matériaux candidats prometteurs qui pourraient permettre aux piles à combustible à oxyde solide de fonctionner à des températures plus basses, avec une plus grande efficacité et des durées de vie plus longues.

Leur criblage informatique de plus de 2, 000 matériaux candidats d'une large classe de composés appelés pérovskites ont fourni une liste de 52 nouveaux matériaux cathodiques potentiels pour les piles à combustible à oxyde solide.

Les chercheurs ont récemment publié les détails de leur avancée dans la revue Matériaux énergétiques avancés .

« Avec cette recherche, nous avons fourni des recommandations spécifiques de composés prometteurs qui devraient être explorés plus avant, " dit Morgane, dont les travaux sont soutenus par l'U.S. Air Force et la National Science Foundation. "Certains des nouveaux matériaux cathodiques candidats que nous avons identifiés pourraient être transformateurs pour les piles à combustible à oxyde solide pour réduire les coûts."

En plus d'identifier de nouveaux matériaux, l'approche des chercheurs leur a permis de codifier des principes de conception de matériaux qui étaient auparavant basés sur l'intuition et de proposer des suggestions pour améliorer les matériaux existants.

Typiquement, Les piles à combustible à oxyde solide doivent fonctionner à des températures avoisinant les 800 degrés Celsius. Mais fonctionner à ces températures élevées signifie que les matériaux de la pile à combustible se dégradent rapidement et limitent la durée de vie de l'appareil. Le but, dit Jacobs, est de permettre aux piles à combustible à oxyde solide de fonctionner à plus basse température, et ralentir cette dégradation. Les piles à combustible à longue durée de vie n'auraient pas besoin de remplacements fréquents, les rendant plus rentables.

Pour atteindre cet objectif, les chercheurs ont entrepris de trouver des composés stables à haute activité pour catalyser la réaction de réduction de l'oxygène, un processus chimique clé pour les applications énergétiques des piles à combustible à oxyde solide.

« Si vous pouvez trouver de nouveaux composés à la fois stables dans les conditions de fonctionnement de la pile à combustible et hautement actifs sur le plan catalytique, tu peux prendre cette écurie, matériau hautement actif et l'utiliser à une température réduite tout en obtenant les performances souhaitées de la pile à combustible, " explique Jacobs, qui était l'auteur principal de l'étude.

Cependant, l'utilisation de la modélisation informatique pour calculer quantitativement l'activité catalytique d'un composé pérovskite est d'une difficulté prohibitive en raison de la grande complexité de la réaction de réduction de l'oxygène.

Pour surmonter ce défi, les chercheurs ont utilisé une approche dans laquelle ils ont sélectionné un paramètre physique plus simple à calculer, puis a montré empiriquement qu'il était corrélé à l'activité catalytique, servant ainsi de proxy efficace pour l'activité catalytique. Une fois qu'ils ont établi ces corrélations avec les données d'expériences, les chercheurs ont pu utiliser des outils informatiques à haut débit pour cribler efficacement un grand groupe de matériaux pour une activité catalytique élevée.

Les chercheurs de l'UW-Madison collaborent avec un groupe du National Energy Technology Laboratory (NETL), qui a effectué des tests initiaux sur l'un des matériaux cathodiques candidats de l'équipe.

"Cette recherche est en cours, mais les premiers tests de nos collaborateurs NETL ont trouvé le matériel assez prometteur, " dit Morgane.

Morgan dit que ce projet est un exemple du type d'avancées qui sont aidées par la Materials Genome Initiative, un effort national permanent qui vise à doubler la vitesse à laquelle le pays découvre, développe et fabrique de nouveaux matériaux.

"Ce projet a intégré des corrélations issues d'expériences avec des bases de données numériques en ligne et des outils de calcul à haut débit afin de concevoir de nouveaux matériaux pour piles à combustible à oxyde solide, c'est donc exactement le genre de chose qui est rendue possible par l'infrastructure et les approches qui ont été développées et mises en place par la Materials Genome Initiative, " dit Morgane.