Dans des recherches qui pourraient relancer les travaux sur une gamme de technologies, notamment les piles à combustible, essentielles au stockage de l'énergie solaire et éolienne, les chercheurs du MIT ont trouvé un moyen relativement simple d'augmenter la durée de vie de ces dispositifs :modifier le "pH" du système.

Les piles à combustible et à électrolyse constituées de matériaux dits oxydes métalliques solides présentent un intérêt pour plusieurs raisons. Par exemple, en mode électrolyse, ils sont très efficaces pour convertir l'électricité d'une source renouvelable en un combustible stockable comme l'hydrogène ou le méthane qui peut être utilisé en mode pile à combustible pour produire de l'électricité lorsque le soleil ne brille pas ou que le vent souffle. ça souffle pas. Ils peuvent également être fabriqués sans utiliser de métaux coûteux comme le platine. Cependant, leur viabilité commerciale a été entravée, en partie, parce qu'ils se dégradent avec le temps. Les atomes de métal s'échappant des interconnexions utilisées pour construire des bancs de piles à combustible/électrolyse empoisonnent lentement les appareils.

"Ce que nous avons pu démontrer, c'est que nous pouvons non seulement inverser cette dégradation, mais également améliorer les performances au-dessus de la valeur initiale en contrôlant l'acidité de l'interface de l'électrode à air", déclare Harry L. Tuller, professeur R.P. Simmons de Céramique et matériaux électroniques au Département de science et génie des matériaux (DMSE) du MIT.

La recherche, initialement financée par le Département américain de l'énergie par l'intermédiaire du Laboratoire national des technologies énergétiques du Bureau de l'énergie fossile et de la gestion du carbone (FECM), devrait aider le Département à atteindre son objectif de réduire considérablement le taux de dégradation des piles à combustible à oxyde solide d'ici 2035-2050. .

« Prolonger la durée de vie des piles à combustible à oxyde solide permet de fournir la production d'hydrogène et la production d'électricité à faible coût et à haut rendement nécessaires pour un avenir énergétique propre », a déclaré Robert Schrecengost, directeur par intérim de la division Hydrogen with Carbon Management de la FECM. "Le Département applaudit ces progrès pour mûrir et finalement commercialiser ces technologies afin que nous puissions fournir une énergie propre et fiable au peuple américain."

"J'ai travaillé dans ce domaine toute ma vie professionnelle, et ce que j'ai vu jusqu'à présent, ce sont principalement des améliorations progressives", déclare Tuller, qui a récemment été nommé 2022 Materials Research Society Fellow pour son travail d'une longue carrière dans le domaine des solides. chimie d'état et électrochimie. "Les gens sont normalement satisfaits de voir des améliorations par des facteurs de 10 pour cent. Donc, voir des améliorations beaucoup plus importantes et, tout aussi important, identifier la source du problème et les moyens de le contourner, les problèmes avec lesquels nous nous débattons depuis toutes ces décennies, est remarquable."

D'après James M. LeBeau, un autre professeur du MIT impliqué dans le travail, "ce travail est important car il pourrait surmonter [certaines] des limitations qui ont empêché l'utilisation généralisée des piles à combustible à oxyde solide. De plus, le concept de base peut être appliqué à de nombreux autres matériaux utilisés pour des applications dans le domaine de l'énergie." LeBeau est professeur agrégé John Chipman de science et génie des matériaux

Les travaux ont été rapportés le 11 août, en ligne, dans Energy &Environmental Science . Les autres auteurs de l'article sont Han Gil Seo, boursier postdoctoral DMSE; Anna Staerz, ancienne boursière postdoctorale DMSE, maintenant au Centre interuniversitaire de microélectronique (IMEC) Belgique et qui rejoindra bientôt la faculté de la Colorado School of Mines ; Dennis S. Kim, associé postdoctoral DMSE ; Dino Klotz, chercheur invité DMSE, actuellement à Zurich Instruments ; Michael Xu, étudiant diplômé DMSE, et Clément Nicollet ancien post-doctorant DMSE, aujourd'hui à l'Université de Nantes. Seo et Staerz ont contribué à parts égales au travail.

Ce qu'ils ont fait

Une pile à combustible/électrolyse comporte trois parties principales :deux électrodes (une cathode et une anode) séparées par un électrolyte. En mode électrolyse, l'électricité provenant, par exemple, du vent, peut être utilisée pour générer du carburant stockable comme le méthane ou l'hydrogène. D'autre part, dans la réaction inverse de la pile à combustible, ce combustible stockable peut être utilisé pour créer de l'électricité lorsque le vent ne souffle pas.

Une cellule à combustible/électrolyse fonctionnelle est composée de nombreuses cellules individuelles qui sont empilées et reliées par des interconnexions métalliques en acier qui incluent l'élément chrome pour empêcher le métal de s'oxyder. Mais "il s'avère qu'aux températures élevées auxquelles ces cellules fonctionnent, une partie de ce chrome s'évapore et migre vers l'interface entre la cathode et l'électrolyte, empoisonnant la réaction d'incorporation d'oxygène", explique Tuller. Passé un certain point, l'efficacité de la cellule a chuté à un point tel qu'elle ne vaut plus la peine de fonctionner.

"Donc, si vous pouvez prolonger la durée de vie de la pile à combustible/électrolyse en ralentissant ce processus, ou idéalement en l'inversant, vous pourriez faire beaucoup pour le rendre pratique", a déclaré Tuller.

L'équipe a montré que l'on peut faire les deux en contrôlant l'acidité de la surface de la cathode. Ils ont également expliqué ce qui se passe.

Changer l'acidité

Pour obtenir leurs résultats, l'équipe a recouvert la cathode de la pile à combustible/électrolyse d'oxyde de lithium, un composé qui modifie l'acidité relative de la surface d'acide à plus basique. "Après avoir ajouté une petite quantité de lithium, nous avons pu retrouver les performances initiales d'une cellule empoisonnée", explique Tuller. Lorsque les ingénieurs ont ajouté encore plus de lithium, les performances se sont améliorées bien au-delà de la valeur initiale. "Nous avons constaté des améliorations de trois à quatre ordres de grandeur dans le taux de réaction de réduction d'oxygène clé et attribuons le changement au peuplement de la surface de l'électrode avec les électrons nécessaires pour conduire la réaction d'incorporation d'oxygène."

Les ingénieurs ont ensuite expliqué ce qui se passait en observant littéralement le matériau à l'échelle nanométrique, ou milliardièmes de mètre, avec une microscopie électronique à transmission et une spectroscopie de perte d'énergie électronique de pointe. "Nous étions intéressés à comprendre la distribution des différents additifs chimiques [chrome et oxyde de lithium] sur la surface", explique LeBeau.

Ils ont découvert que l'oxyde de lithium dissout efficacement le chrome pour former un matériau vitreux qui ne sert plus à dégrader les performances de la cathode.

Quelle est la prochaine ?

De nombreuses technologies telles que les piles à combustible sont basées sur la capacité des solides oxydes à respirer rapidement de l'oxygène à l'intérieur et à l'extérieur de leurs structures cristallines, explique Tuller. Le travail du MIT montre essentiellement comment récupérer et accélérer cette capacité en modifiant l'acidité de surface. En conséquence, les ingénieurs sont optimistes quant à la possibilité d'appliquer les travaux à d'autres technologies, notamment les capteurs, les catalyseurs et les réacteurs à perméation d'oxygène.

L'équipe explore également l'effet de l'acidité sur les systèmes empoisonnés par différents éléments, comme la silice.

Conclut Tuller :"Comme c'est souvent le cas en science, vous tombez sur quelque chose et remarquez une tendance importante qui n'était pas appréciée auparavant. Ensuite, vous testez davantage ce concept et vous découvrez qu'il est vraiment très fondamental." + Explorer plus loin

Les cellules électrolytiques à oxyde solide facilitent l'électrolyse du CO2 sous énergie renouvelable intermittente