Инновационный подход к химическому дизайну “all-perovskite” электрохимических ячеек: идентичный ионный состав катода, анода и электролита

Глобальное изменение климата и истощение невозобновляемых источников энергии ставят перед человечеством новые задачи: поиск эффективных методов преобразования энергии и снижения негативного воздействия существующих технологий на окружающую среду. В связи с этим многие страны (в том числе, Россия) по-новому взглянули на энергетические проблемы, запустив программы развития водородной энергетики и снижения углеродной нагрузки . Электрохимические технологии – одни из наиболее привлекательных подходов для решения данных задач. В последнее время особое внимание уделяется электрохимическим устройствам на твердых электролитах для генерации электроэнергии (топливные элементы - ТОТЭ) и преобразования газов (электролизеры - ТОЭ). За последние годы были достигнуты значительные успехи в разработке и масштабировании таких устройств. Уже сейчас многие компании предлагают автономные электростанции на основе ТОТЭ. Например, Bloom energy предлагает к продаже подстанции на ТОТЭ мощностью 300 кВт, а учитывая большое разнообразие сценариев практического использование энергоустановок на основе ТОТЭ, вплоть до морского и авиационного транспорта , перспективы у твердооксидных технологий довольно высокие. Однако, на данный момент спрос на такие устройства невелик из-за высокой стоимости целевого продукта (электроэнергии / водорода), а также ряда недостатков выпускаемых сегодня ТОТЭ и ТОЭ. Многие недостатки текущего поколения ТОТЭ и ТОЭ, такие как высокая стоимость изготовления, крайне большое время выхода на рабочий режим (до нескольких суток из-за длительного восстановления никель-керметных электродов), химическое взаимодействие между материалами и т.д., обусловлены выбранным несколько десятилетий назад вектором развития химического дизайна ТОТЭ и ТОЭ, а именно использование многослойных гетерофазных структур с различающимися физическими, химическими и термомеханическими свойствами слоев. Многих из указанных выше недостатков лишены так называемые симметричные топливные элементы, в которых в качестве несущего слоя используется высокопроводящий электролит, а топливный и кислородный электроды имеют одинаковый химический состав, отличный от состава электролита. В рамках данного проекта будут выполнены разработки и исследования нового поколения электрохимических ячеек, в которых электролит, топливный и кислородный электроды будут иметь одинаковый ионный состав. Такой подход колоссально снизит время и ресурсозатраты на изготовление ячеек, позволит сократить время запуска из-за высокой термомеханической и химической совместимости компонентов ячейки и отсутствия стадии восстановления топливного электрода. Более того, такие ячейки способны работать как обратимые устройства в широком диапазоне напряжений, что существенно расширяет возможности их использования. Решенные в рамках проекта задачи позволят продвинуться в направлении стратегии научно-технологического развития Российской Федерации "H2 Переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике, повешение эффективности добычи и глубокой переработки углеводородного сырья, формирование новых источников, способов транспортировки и хранения энергии". ТОТЭ и ТОЭ на основе разработанных новых материалов и электрохимических ячеек будут востребованы в энергетическом секторе, в атомной промышленности, в малой авиации (включая БПЛА) и т.д. Как показал поиск и анализ литературных данных, исследования данного типа электрохимических ячеек ранее не проводились, что делает идеологию и основную концепцию проекта новыми и уникальными.