이 성과의 적용 전망에 대해 그는 "개선된 전기화학전지의 경우 고성능 PCEC (양성자 연료전지) 를 통해 고온전해수 수소의 작동 온도를 350 C 로 낮출 수 있다" 고 말했다. 이 과정은' 청결과 녹색수소' 의 많은 응용에 문을 열 수 있다. 더 중요한 것은, 이 기술은 암모니아 생산과 이산화탄소 배출을 포함한 몇 가지 중요한 산업 과정과 같은 온도 범위 내에서 작동한다는 것이다. 이러한 온도를 일치시키면 기존 업계에서 이 기술의 채택이 가속화될 것이다. "
인터페이스 엔지니어링 기술의 경우, 이번 보도의 기술은 전 고체 리튬 배터리와 같은 솔리드 스테이트 전기 화학 장치에 광범위하게 적용될 수 있습니다. 전 고체 리튬 배터리는 첨단 리튬 배터리 기술로 각국이 대대적으로 발전하고 있다. 인터페이스 습윤은 주요 병목 현상 중 하나입니다. 산 처리 기술은 모든 솔리드 스테이트 배터리의 인터페이스 습윤성을 효과적으로 개선하여 배터리의 성능과 안정성을 향상시킵니다.
바로 그 강력한 응용성 때문에, 그는 이 성과의 상업적 부화에 대해 확신을 가지고 있다. "우리의 다음 연구 계획은 두 가지 측면이다. 하나는 전기 화학 장치를 확장, 모듈화 또는 상업화하기 위해 기존의 일련의 준비 기술을 통합하는 것입니다. 다른 한편으로는 화학화학화학화학합성, 공업탄소 감소 등 다른 고교와 연구기관과의 협력을 더욱 확대하고 심화시키는 것이다. "
350 C 에서 잘 작동하고 수백 시간 동안 성능 저하가 거의 없다.
보도에 따르면, 그와 그의 협력자들은 이미 산 처리된 배터리가 600 C 에서 단위 면적당 생성되는 수소가 이전의 어떤 배터리보다 150% 더 많았고, 350 C 에서 잘 작동했고, 수백 시간 동안 성능 저하가 거의 없었다는 것을 실험에서 증명했다. 이 방법은 대형 배터리 및 배터리 팩 제조에 쉽게 확장 및 통합할 수 있습니다.
메릴랜드 에너지혁신연구소 재료혁신센터 주임 후 교수는 이 일에 참여하지 않았다고 말했다. 그러나 저자는 놀랍고 간단하며 매우 효율적인 표면 처리 방법을 보고하여 인터페이스를 크게 개선하고 배터리 성능을' 우수' 수준으로 높였다고 평가했다.
4 월 20 일' 네이처' 잡지에 관련 논문이 게재돼' 산 부식 활성화 양성자 세라믹 세포의 인터페이스' 라는 제목으로 게재됐다.
오웨이에 따르면 풍력, 태양열, 조석에너지를 포함한 재생에너지는 사회에 점점 더 많은 청정 전기를 공급하고 있다. 그러나, 이러한 재생 에너지의 주요 특징 중 하나는 그것들이 불안정하고 날씨에 따라 눈에 띄게 변동한다는 것이다. 따라서 청정 전기는 일반적으로 먼저 저장됩니다.
축전지를 사용하여 전기를 저장하는 시간도 매우 제한적이고 비용도 높습니다. 이러한 깨끗한 전기 에너지로 수소와 기타 유기 화학 물질과 연료를 생산하는 것은 전기 에너지를 화학 에너지로 변환하는 또 다른 방법입니다.
수소는 녹색 연료로 알려져 있는데, 부분적으로는 그것이 연소할 때 산물은 물밖에 없기 때문이다. 그러나 순수 수소에는 자연원이 없다. 오늘날 우리가 사용하는 대부분의 수소는 증기를 통해 탄화수소 (예: 천연가스) 를 전환시켜 얻은 것이다. 이 방법은 원료 가스를 필요로 하고 탄소 부산물을 생산하여 지속 가능한 생산에 적합하지 않게 한다.
따라서 고체 산화물 연료 전기 분해 배터리와 같은 보다 효율적인 신형 전기 화학 배터리를 개발하면 분산 발전과 저탄소, 심지어 탄소 배출이 없는 수소 화학 물질을 얻을 수 있습니다. 세계 각지의 과학자들도 수소를 생산하는 데 주로 사용되는 전기화학 배터리를 개발하고 있다. 이 배터리에서 나오는 수소는 난방, 교통수단, 화학 생산 또는 기타 응용용 연료로도 사용할 수 있다.
하지만 과학자들은 배터리를 더 효율적이고, 안정적으로 만들고, 제조 비용을 절감할 수 있는 방법을 포함하여 재료 및 준비 문제를 해결해야 합니다.
여기에 대해 말하자면, 오위는 간단한 코프를 만들었다: 전기화학전해전지는 주로 세 가지가 있다.
첫 번째는 양성자 교환막 배터리와 같은 실온에서 작동합니다. 그들의 주된 문제는 비효율적이며 백금 등 희귀금속이 필요하다는 것이다.
두 번째는 700 인가요? 산소 이온 도체 배터리와 같은 c 이상. 전기 분해 효율이 높지만 금속은 고온에서 산화되거나 다른 원소와 반응하여 부식되기 쉬우므로 장비에는 엄격한 밀봉 및 절연 기술이 필요합니다.
셋째, PCEC 는 더 유망한 전기 화학 배터리 솔루션입니다. 충전전지가 화학원리를 이용하여 전기를 저장하는 것처럼, PCEC 는 여분의 전기와 물을 수소로 바꿀 수 있다. PCEC 도 역운행하여 수소를 전기로 바꿀 수 있다. 이 기술은 페 로브 스카이 트 (페 로브 스카이 트) 라는 결정 물질을 사용하며 가격이 저렴하여 넓은 온도 범위에서 일할 수 있습니다. 동시에, PCEC 의 주요 작업 범위는 300 에서 600 사이입니까? C, 운영 및 제조 비용을 더욱 줄입니다.
이론적으로 양성자 도체의 전도율은 높고 활성화에너지는 낮기 때문에 PCEC 의 성능은 자연히 더 우월할 것이다. 그러나, 오웨이와 그의 협력자들은 그들의 성능이 이론 시뮬레이션의 예상보다 낮다는 것을 일찌감치 관찰했다. 20 17 이후 아이다호 국립연구소에 있는 그와 그의 동료들은 그 이유를 이해하려고 노력해 왔다.
그것은 "같은 실험 설계와 관찰을 통해 양성자 (양전하가 있는 수소 원자) 가 전극/전해질 인터페이스에서 전송되는 것이 문제라는 것을 발견했다" 고 말했다. 구체적으로 전극과 전해질의 결합은 이상적이지 않다. 그런 다음 배터리 준비 과정에서 간단한 산 처리 단계를 추가하여 전극과 전해질의 긴밀한 결합을 통해 더욱 효과적인 이온 전송을 가능하게 했습니다. "
일련의 상세한 표상 후에, 산 처리가 전극과 전해질 사이의 접촉 면적을 증가시키는 것을 발견했다. 증가된 표면적은 전극과 전해질 사이의 결합을 더욱 촘촘하게 하여 더욱 효과적인 양성자 전송을 가능하게 한다. 게다가, 일부 극단적인 조건에서의 배터리 안정성도 현저히 향상되었다.
배터리의 성능, 열역학 및 전기 화학적 안정성을 크게 향상시킵니다
더 자세히 말하자면, 이 글의 핵심 관점은 양성자 세라믹 멤브레인 전기 화학 배터리가 350 이하로 작동할 것으로 기대된다는 것입니다. 전해질의 높은 양성자 전도율이 확인되었지만, 알려지지 않은 이유로 전기 화학 전지에 완전히 사용될 수는 없습니다. 이 연구에서 오위 등은 이러한 문제들이 고온 2 차 처리 후 산소 전극과 전해질 인터페이스 접촉이 불량하다는 것을 밝혀냈다.
본 연구에 따르면 간단한 산 처리는 고온의 2 차 처리 후 전해질 표면을 효과적으로 복구하여 산소 전극과 전해질 사이에 반응성 결합을 만들어 전기 화학적 성능과 안정성을 높인다.
이 방법은 350 까지 낮출 수 있습니까? C 는 양성자 세라믹 멤브레인 연료 전지 성능이 뛰어나 600 을 유지할 수 있습니까? C 점의 최고 전력 밀도는 1.6W 평방 센티미터당 450? C 는 제곱 센티미터당 650 밀리와트, 350? C 는 제곱 센티미터당 300 밀리와트인데 1.4V 와 600 에 있나요? 안정된 전기 분해 작동과 C 시의 전류 밀도는 제곱센티미터당 3.9 암페어보다 크다.
양성자 세라믹 멤브레인 연료/전해조 (PCFCs/PCECs) 는 고효율 및 제로 배출로 인해 중온 (300-600) 응용 분야에서 화학 에너지 및 전기 에너지의 역변환을 실현할 것으로 예상됩니다.
그것들의 핵심 성분 중 하나는 페 로브 스카이 트 구조의 산화물 전해질이다. 활성화에너지가 적기 때문에 양성자 전도율이 높아 산소 이온 도체에 기반한 고체 산화물 연료/전해조 (SOFCs/soec) 보다 낮은 온도에서 작동할 수 있다.
그러나 PCFC/PCEC 의 응용을 제한하는 전해질 관련 과제가 여전히 남아 있습니다. 첫째, 소결 전해질은 높은 양성자 전도율 (예: at 500 >: 10mS cm 1) 을 나타내지만, 전기 화학 배터리의 옴저항은 이온전도율로만 추정되는 이론치보다 크며' 알 수 없는 출처' 를 가지고 있습니다. 이러한 불일치는 산소 전극과 전해질 사이의 접촉 불량으로 여겨진다. 둘째, 산소 전극과 전해질의 인터페이스 기계적 성능이 약하면 특히 고전류 밀도가 높은 전해조 순환에서 탈층 등의 손실이 발생할 수 있습니다.
양성자 세라믹 멤브레인 연료/전해조는 일반적으로 고온 T 1 에서 소결된 다음 실크망을 인쇄하거나 산소 전극층에 칠한 다음 낮은 온도의 T2 에서 두 번째 소결됩니다.
그러나 양성자 세라믹 멤브레인 전해질의 치밀화는 비교적 어렵고 고온 소결이 필요합니다. 전체 배터리의 400-600°C 성능과 무관한 것처럼 보이지만, 오위 등은 낮은 실제 접촉 면적과 높은 인터페이스 임피던스가 낮은 속도의 전도로 인한 소결성 차이와 같은 뿌리를 가지고 있다고 생각한다.
사실, T2 소결은 더 나쁘다 (약1000 C): 다공성 산소 전극은 완전히 퇴화된 전해질 표면 (단결정 라이닝의 유한 소결을 극단적인 비유로 사용) 으로 확산해야 하며, T2 는 다공성 산소 전극이 거칠어지지 않도록 충분히 낮아야 하며 가스 전송과 촉매를 허용해야 합니다.
이러한 상황을 고려하여 팀은 산소 전극과 결합하기 전에 고온 어닐링 전해질 표면을 활성화시키는 산성 처리 방법을 제시했다. 그들은 이 방법이 전기 화학 배터리의 이론적 양성자 전도율을 완전히 회복시키고 배터리의 성능, 열역학 및 전기 화학적 안정성을 크게 향상시킬 수 있다는 것을 증명했다.
오위는 이 프로젝트가 입항에서 성과 발표에 이르기까지 모든 팀 구성원의 협력과 헌신을 빼놓을 수 없다고 밝혔다. 이 작업은 아이다호 국립연구소, MIT, 네브라스카 대학을 포함한 세 개의 단체가 수행했습니다. 팀들 간에 매주 화상 회의 소통을 유지하고, 문제가 생기면 즉시 공유, 토론, 대책 연구를 할 수 있다.
대부분의 과학 연구 업무와 마찬가지로, 아이디어를 제시하는 것에서부터 실현에 이르기까지 도전과 문제가 있을 것이다. 많은 경우, 노력이 반드시 보답을 받는 것은 아니다. "우리는 우리가 배운 것만 할 수 있고, 우리가 할 수 있는 것은 할 수 있고, 집단의 힘으로 과학 문제를 해결하고, 나머지는 운에 맡길 수 있다. 이 일이 어느 정도 성과를 거두어 우리는 모두 매우 기쁘다. 이번 운은 우리 쪽에 있다. " 그는 말했다.
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지원: 왕 베이브.
참조:
1, 변, 오, 왕 등. 양성자 세라믹 배터리 인터페이스의 산 부식 활성화. 자연 604,479–485 (2022). Https://doi.org/10.1038/S41586-022-04457