При участии ученых Политеха открыты новые материалы для топливных элементов

Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) – крупные и мощные устройства хранения электрической энергии, способные накапливать энергию на тысячи часов. Они используются в качестве источников электроэнергии для питания вышек мобильных операторов, жилых зданий, военной и космической техники.

Преобразование и хранения электрической энергии происходит с помощью материалов с высокой кислород-ионной проводимостью, которая становится возможной при высоких температурах (более 900 °С). Поиск материалов, обладающих достаточно высокой проводимостью при более низком температурном интервале  – актуальная задача современной электрохимии. Ученые кафедры «Общая и неорганическая химия» Самарского политеха проанализировали свойства относительно новых кислород-проводящих материалов. Они выполняли исследование совместно с коллегами из МГУ им. М.В. Ломоносова, Института проблем химической физики РАН и Уральского федерального университета. Результаты опубликованы в журнале Dalton Transactions (DOI: https://doi.org/10.1039/D4DT02462A).

– Принцип работы обычных металл-ионных аккумуляторов и ТОТЭ очень схож. И там, и там используются проводящие кристаллические неорганические материалы. Только в аккумуляторах их проводимость достигается с помощью диффузии катионов (для большинства аккумуляторов это литий), а в ТОТЭ – диффузии кислород-аниона. Только в отличие от аккумуляторов, работающих в условиях окружающей нас среды, в ТОТЭ этот процесс возможен только при высоких температурах, – поясняет доцент кафедры «Общая и неорганическая химия» Самарского политеха Елизавета Морхова.

Команда ученых провела подробное исследование потенциально подходящих для ТОТЭ материалов с высокой кислород-ионной проводимостью. Например, измеряли проводимость при разных давлениях и в широком температурном диапазоне (от 400 до 900 градусов Цельсия) как в сухой, так и во влажной атмосфере воздуха.

–То, что оксид висмута обладает одной из самых высоких проводимостей, стало известно еще в 1970 году. Однако его проводимость начинает проявляться при температурах от 730 градусов Цельсия, когда стабильной начинает быть его проводящая структурная модификация – рассказывает Морхова. – Более 20 лет назад были синтезированы материалы на основе смеси бинарных оксидов висмута и лантоноидов, так называемых фаз Ватанабе. Все они сохраняют проводящую структуру при более низких температурах.

Материалы показали термическую и химическую стабильность и во всех температурных режимах. Кроме этого, ученые выяснили, что в образцах присутствует смешанная электрон-ионная проводимость, величина которой достигала высоких значений уже при температурах ниже 800 °C.

Фото:  пресс-службы Самарского политеха