Het kraken van de code van prestatieverslechtering in vaste-oxidecellen op atomair niveau

Onderzoekers hebben met behulp van geavanceerde transmissie-elektronenmicroscopie het mechanisme opgehelderd van het aanvankelijke degradatiefenomeen dat de prestatiedaling van vaste-oxide-elektrolysecelsystemen bij hoge temperaturen veroorzaakt. In tegenstelling tot eerdere studies, waarin de laatste stadia van degradatie op micrometerschaal werden geanalyseerd, heeft deze studie met succes de initiële veranderingen in elektrolysecelmaterialen op nanometerschaal geverifieerd.

Het onderzoeksteam identificeerde het afbraakmechanisme dat optreedt tussen de luchtelektrode en de elektrolyt van de elektrolysecel door middel van TEM-diffractieanalyse en theoretische berekeningen. Uit de waarnemingen bleek dat zuurstofionen zich ophoopten op het grensvlak van de elektrolyt, bekend als Yttria Stabilized Zirconia (YSZ), tijdens het zuurstofinjectieproces dat de elektrolysereactie aandrijft.

Het onderzoek is gepubliceerd in het journaal Energie- en milieuwetenschappen. Het onderzoeksteam bestaat uit dr. Hye Jung Chang en dr. Kyung Joong Yoon van het Hydrogen Energy Materials Research Center van het Korea Institute of Science and Technology.

Als gevolg hiervan wordt de atomaire structuur van het grensvlak YSZ gecomprimeerd, wat leidt tot de vorming van defecten op nanoschaal en uiteindelijk tot scheuren tussen de luchtelektrode en de elektrolyt, wat op zijn beurt de verslechtering van de prestaties van de cel veroorzaakt. Bovendien is het team erin geslaagd de correlatie tussen ionen, atomen, defecten op nanoschaal, poriën en scheuren die zich in de vroege stadia van de afbraak voordoen, op te helderen door de spanningen en defecten die op het grensvlak zijn gevormd visueel te verifiëren.

Deze onderzoeksprestatie markeert de eerste studie die het degradatiemechanisme op nanoschaal opheldert en richtlijnen biedt om de prestatiedaling van hoge-temperatuur-elektrolysecellen tijdens langdurig gebruik aan te pakken.

Concreet zou het de ontwikkeling mogelijk kunnen maken van materialen die gedurende langere perioden stabiel boven 600°C kunnen werken, waardoor de duurzaamheid van commerciële elektrolysecellen aanzienlijk wordt verbeterd. De analytische technologie op nanoschaal die gebruik maakt van geavanceerde TEM in dit onderzoek kan worden toegepast om degradatieproblemen in verschillende energieapparaten op te lossen.

Het onderzoeksteam is van plan de commercialisering van hoge-temperatuur-elektrolysecellen te versnellen door samen te werken met fabrikanten om geautomatiseerde productieprocessen voor massaproductie op te zetten. Daarnaast doen ze onderzoek om nieuwe materialen te ontwikkelen die de ophoping van zuurstofionen in specifieke delen van de elektrolysecel kunnen onderdrukken, met als doel de productie-efficiëntie te verhogen en de productiekosten te verlagen, waardoor uiteindelijk de kosten van schone waterstofproductie worden verlaagd.

Dr. Chang van KIST verklaarde: “Met behulp van geavanceerde transmissie-elektronenmicroscopie zijn we in staat geweest om de oorzaken van voorheen onbekende degradatieverschijnselen in een vroeg stadium te identificeren. Op basis hiervan willen we strategieën presenteren om de duurzaamheid en productie-efficiëntie van hoogwaardige temperatuurelektrolysecellen, die bijdragen aan de economische levensvatbaarheid van de productie van schone waterstof.”