Новости отрасли

Физики предложили новый материал для создания проводящих мембран твердого электролита, устойчивых к длительным температурным и токовым нагрузкам. Применять их можно в качестве анион-проводящей мембраны твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ).

Жидкие электролиты — водные растворы, или расплавы, солей, кислот — работают в аккумуляторах и батарейках. Их применяют для получения и очистки металлов, щелочей, органических соединений, для никелирования и анодирования. Другой класс подобных веществ — твердые электролиты. Их использование в системах накопления может значительно увеличить удельную энергоемкость и, как следствие, повысить эффективность батарей и уменьшить их размеры. Также без твердых электролитов нельзя создать батареи и энергетические установки на твердооксидных топливных элементах.

«Одной из актуальных проблем является эффективное получение чистой электроэнергии из ископаемых углеводородных источников с минимальными выбросами загрязняющих веществ и углекислого газа в атмосферу. Твердооксидные топливные элементы играют важную роль в достижении этой цели — на сегодняшний день неизвестен более эффективный метод преобразования химической энергии топлива в электрическую. Материалы на основе диоксида циркония являются хорошо известными твердыми электролитами и широко используются в качестве электролитических мембран в твердооксидных топливных элементах. Поэтому в наших исследованиях мы сосредоточились на них», — объяснил доцент ФЭФМ, заведующий лабораторией топливных элементов МФТИ Дмитрий Агарков.

Длительное воздействие на электролитические мембраны повышенных рабочих температур и высоких токовых нагрузок может привести к их старению и ухудшению характеристик. Физики изучили процессы старения твердых электролитов при отжиге. Твердые электролиты представляли собой твердые растворы на основе диоксида циркония, стабилизированного оксидами различных редкоземельных элементов.

Исследователи вырастили монокристаллы диоксида циркония с легирующими добавками методом направленной кристаллизации из расплава. Как источник нагрева использовался высокочастотный генератор частотой 5,28 МГц и выходной мощностью 63 кВт. В качестве исходного сырья использовали порошки оксидов циркония, скандия и иттербия чистотой не менее 99,99%. Порошки в необходимых пропорциях механически смешивали и загружали в тигель. В результате ученые получили поликристаллический слиток, состоящий из нескольких десятков отдельных монокристаллов. Размеры монокристаллов составляли 40 мм в длину и 20 мм в диаметре. Следует отметить, что при увеличении массы расплава данный метод выращивания позволяет получать монокристаллы диаметром до 100 мм.
Затем из центральной части монокристаллов вырезали пластины толщиной 0,5 мм. Исследование высокотемпературной деградации физики провели на монокристаллических мембранах двух типов образцов, различающихся концентрациями добавок. Также были проведены сравнения с образцами, полученными без добавления иттербия. Оказалось, что последовательная замена оксида скандия на оксид иттербия приводит к монотонному увеличению параметра решетки, что свидетельствует о полной растворимости оксида иттербия с образованием твердого раствора.

После этого ученые замерили комплексное сопротивление полученных структур. В образцах с двухпроцентным содержанием изменялся фазовый состав после состаривания. И, как следствие, уменьшилась проводимость на 55%. В то же время образцы с однопроцентным содержанием иттербия, напротив, практически не стареют при длительном воздействии высоких температур. Такие мембраны сохранили свой фазовый состав после старения. Эта фазовая стабильность приводит и к стабильной проводимости: после 4800 часов выдержки при температуре 1123 К деградация проводимости составляла не более 4%.

Ученые убеждены, что исследования найдут применение при создании устройств с батареями на основе твердых электролитов. Например, для потенциометрических датчиков состава газа, кислородных насосов и электролизеров.

Наука.рф