Ученые разработали новый материал для альтернативных источников энергии

16:32, 9 августа 2023

Исследовательский коллектив синтезировал и изучил новые соединения класса ферритов

В институте водородной энергетики синтезировали и изучили новые соединения класса ферритов. Фото: Илья Сафаров.

Новый материал для создания экологичных альтернативных источников электроэнергии создали ученые УрФУ в составе научного коллектива, сообщают РИА Новости. Разработка позволяет снизить затраты времени и ресурсов на производство топливных элементов. Результаты исследования опубликованы в Journal of the European Ceramic Society.

Сегодня большинство носимых и переносных электронных устройств и электротранспорта, такие как: мобильные телефоны, ноутбуки, электрические самокаты и велосипеды, электрокары и электромобили, требуют постоянной перезарядки или замены источника энергии.

Широко применяются щелочные и кислотные аккумуляторы и батарейки, но они содержат вредные вещества (например, свинец в кислотных, кадмий в щелочных), поэтому их нельзя просто выбросить на помойку, а необходимо перерабатывать на специальных предприятиях.

Рядом преимуществ обладают литий-ионные элементы питания, однако они взрывоопасны (из-за чего, например, ограничена их перевозка в самолетах). Кроме того, запасы лития в земной коре ограничены и распределены очень неравномерно.

Альтернатива кислотным, щелочным и литий-ионным источникам электроэнергии — системы с топливными элементами. Это источники тока, преобразующие химическую энергию топлива в электрическую напрямую.

По словам ученых УрФУ, наибольший интерес представляет класс твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ). Это одни из наиболее экологически чистых генераторов электроэнергии, имеют достаточно высокий КПД и дают возможность использовать разные по составу топлива.

Исследователи объяснили, что в ТОТЭ содержится металлокерамический анод («плюс») и пористый оксидный катод («минус»), которые производятся по совершенно разным технологиям. Для упрощения производства ТОТЭ ученые конструируют симметричные ячейки, где оба электрода одинаковы по составу и могут быть получены по одной и той же технологической схеме. Они считают, что это позволит снизить стоимость изготовления и технического обслуживания ТОТЭ и поспособствует повсеместному применению.

Коллектив разработчиков УрФУ совместно с учеными Института высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук при финансовой поддержке по программе «Приоритет-2030» синтезировал и изучил новые соединения класса ферритов (соединения оксидов железа с оксидами других металлов) для создания симметричных ТОТЭ на основе железа, бария и лантана (La_1–xBa_xFeO_3–δ, x = 0,4, 0,5, 0,6). Ученые исследовали структуру, механические и электрические параметры синтезированных материалов, а также установили влияние некоторых протон-проводящих добавок на их свойства.

«Полученные нами материалы на основе феррита лантана-бария демонстрируют высокие значения проводимости и низкие значения поляризационных сопротивлений в атмосфере воздуха, а это ключевые характеристики потенциальных материалов для ТОТЭ», — рассказал заведующий лабораторией водородной энергетики УрФУ Дмитрий Медведев.

Он отметил, что во многих исследованиях стабильность характеристик материалов для симметричных топливных элементов оценивается лишь в окислительной атмосфере, то есть в воздушной. Но исследователи УрФУ установили, что их состав стабилен и в восстановительной атмосфере, которая образуется из-за использования водорода как топлива в ТОТЭ.

«Мы установили, что при прочих равных наиболее перспективным материалом для ТОТЭ является La_0,6Ba_0,4FeO_3–δ. Он обладает наилучшей проводимостью и наименьшей поляризацией, что способствует повышению мощности топливных элементов», — пояснил Медведев.

В будущем коллектив планирует улучшить характеристики изученных им составов и создать полноразмерную ячейку ТОТЭ для экспериментальных исследований.

НИИ водородной энергетики — базовая площадка реализации стратегического проекта УрФУ «Материалы и технологии для водородной и ядерной энергетики» в рамках российской государственной программы академического лидерства «Приоритет-2030».