Alors que les sources d'énergie telles que l'éolien et le solaire sont excellentes pour produire de l'électricité sans émissions, ils dépendent du soleil et du vent, l'offre ne répond donc pas toujours à la demande. De même, les centrales nucléaires fonctionnent plus efficacement à leur capacité maximale, de sorte que la production d'électricité ne peut pas être facilement augmentée ou réduite pour répondre à la demande.

Depuis des décennies, les chercheurs en énergie ont essayé de résoudre un grand défi :comment stocker l'électricité excédentaire afin qu'elle puisse être réinjectée dans le réseau lorsque cela est nécessaire ?

Récemment, des chercheurs de l'Idaho National Laboratory ont aidé à relever ce défi en développant un nouveau matériau d'électrode pour une cellule électrochimique capable de convertir efficacement l'excès d'électricité et d'eau en hydrogène. Lorsque la demande d'électricité augmente, la cellule électrochimique est réversible, reconvertir l'hydrogène en électricité pour le réseau. L'hydrogène pourrait également être utilisé comme combustible pour la chaleur, véhicules ou d'autres applications.

Les résultats sont parus en ligne cette semaine dans le journal Communication Nature .

Les chercheurs ont depuis longtemps reconnu le potentiel de l'hydrogène comme moyen de stockage d'énergie, dit Dong Ding, un ingénieur/scientifique supérieur et chef de groupe de traitement chimique à l'INL.

"Le grand défi du stockage d'énergie, avec ses divers besoins en recherche et développement, a donné lieu à plus d'opportunités pour l'hydrogène, ", a déclaré Ding. "Nous ciblons l'hydrogène comme intermédiaire énergétique pour stocker efficacement l'énergie."

Ding et ses collègues ont amélioré un type de cellule électrochimique appelée cellule électrochimique céramique protonique (PCEC), qui utilise l'électricité pour diviser la vapeur en hydrogène et oxygène.

Cependant, autrefois, ces appareils avaient des limites, en particulier le fait qu'ils fonctionnent à des températures aussi élevées que 800 degrés C. Les températures élevées nécessitent des matériaux coûteux et entraînent une dégradation plus rapide, rendant le coût des cellules électrochimiques prohibitif.

Dans le journal, Ding et ses collègues décrivent un nouveau matériau pour l'électrode à oxygène, le conducteur qui facilite simultanément les réactions de séparation de l'eau et de réduction de l'oxygène. Contrairement à la plupart des cellules électrochimiques, ce nouveau matériau, un oxyde d'un composé appelé pérovskite, permet à la cellule de convertir l'hydrogène et l'oxygène en électricité sans hydrogène supplémentaire.

Précédemment, Ding et ses collègues ont développé une architecture maillée en 3D pour l'électrode qui a rendu plus de surface disponible pour diviser l'eau en hydrogène et oxygène. Ensemble, les deux technologies - l'électrode à mailles 3D et le nouveau matériau d'électrode - ont permis une autonomie, fonctionnement réversible à 400 à 600 degrés C.

« Nous avons démontré la faisabilité du fonctionnement réversible du PCEC à des températures aussi basses pour convertir l'hydrogène généré en mode hydrolyse en électricité, sans alimentation externe en hydrogène, dans une exploitation autonome, " Ding a déclaré. "C'est un grand pas pour l'électrolyse à haute température."

Alors que les anciennes électrodes à oxygène ne conduisaient que des électrons et des ions oxygène, la nouvelle pérovskite est "triple conductrice, " Ding a dit, ce qui signifie qu'il conduit les électrons, ions oxygène et protons. En termes pratiques, l'électrode à triple conduction signifie que la réaction se produit plus rapidement et plus efficacement, ainsi la température de fonctionnement peut être réduite tout en maintenant de bonnes performances.

Pour Ding et ses collègues, l'astuce consistait à trouver comment ajouter l'élément au matériau de l'électrode en pérovskite qui lui donnerait les propriétés de triple conduction - un processus appelé dopage. "Nous avons démontré avec succès une stratégie de dopage efficace pour développer un bon oxyde triple conducteur, ce qui permet de bonnes performances de la cellule à des températures réduites, " dit Hanping Ding, un scientifique et ingénieur des matériaux pour le groupe de traitement chimique du laboratoire national de l'Idaho.

À l'avenir, Dong Ding et ses collègues espèrent continuer à améliorer la cellule électrochimique en combinant l'innovation des matériaux avec des processus de fabrication de pointe afin que la technologie puisse être utilisée à une échelle industrielle.