Mithilfe fortschrittlicher Transmissionselektronenmikroskopie haben Forscher den Mechanismus des anfänglichen Degradationsphänomens aufgeklärt, das den Leistungsabfall von Hochtemperatur-Festoxid-Elektrolysezellensystemen auslöst. Im Gegensatz zu früheren Studien, die die Endstadien des Abbaus auf der Mikrometerskala analysierten, konnte diese Studie die anfänglichen Veränderungen in den Materialien der Elektrolysezelle erfolgreich auf der Nanometerskala verifizieren.
Das Forschungsteam identifizierte den zwischen der Luftelektrode und dem Elektrolyten der Elektrolysezelle auftretenden Abbaumechanismus durch TEM-Beugungsanalyse und theoretische Berechnungen. Die Beobachtungen ergaben, dass sich während des Sauerstoffinjektionsprozesses, der die Elektrolysereaktion antreibt, Sauerstoffionen an der Grenzfläche des Elektrolyten, bekannt als Yttria Stabilized Zirconia (YSZ), ansammelten.
Die Forschung ist veröffentlicht im Tagebuch Energie- und Umweltwissenschaften. Zum Forschungsteam gehören Dr. Hye Jung Chang und Dr. Kyung Joong Yoon vom Hydrogen Energy Materials Research Center am Korea Institute of Science and Technology.
Dadurch wird die atomare Struktur des Grenzflächen-YSZ komprimiert, was zur Bildung nanoskaliger Defekte und schließlich zu Rissen zwischen der Luftelektrode und dem Elektrolyten führt, was wiederum zu einer Verschlechterung der Zellleistung führt. Durch die visuelle Überprüfung der an der Grenzfläche gebildeten Spannungen und Defekte gelang es dem Team außerdem, den Zusammenhang zwischen Ionen, Atomen, nanoskaligen Defekten, Poren und Rissen aufzuklären, die in den frühen Stadien der Degradation auftreten.
Diese Forschungsleistung ist die erste Studie, die den Abbaumechanismus auf der Nanoskala aufklärt und Leitlinien für den Umgang mit dem Leistungsabfall von Hochtemperatur-Elektrolysezellen während des Langzeitbetriebs liefert.
Konkret könnte es die Entwicklung von Materialien ermöglichen, die über längere Zeiträume stabil über 600 °C funktionieren und so die Haltbarkeit kommerzieller Elektrolysezellen deutlich verbessern. Die nanoskalige Analysetechnologie unter Verwendung fortschrittlicher TEM in dieser Studie kann zur Lösung von Degradationsproblemen in verschiedenen Energiegeräten eingesetzt werden.
Das Forschungsteam plant, die Kommerzialisierung von Hochtemperatur-Elektrolysezellen zu beschleunigen, indem es mit Herstellern zusammenarbeitet, um automatisierte Produktionsprozesse für die Massenproduktion zu etablieren. Darüber hinaus forschen sie an der Entwicklung neuer Materialien, die die Ansammlung von Sauerstoffionen in bestimmten Bereichen der Elektrolysezelle unterdrücken können. Ziel ist es, die Produktionseffizienz zu steigern und die Produktionskosten zu senken, um letztendlich die Kosten für die Produktion von sauberem Wasserstoff zu senken.
Dr. Chang vom KIST erklärte: „Mithilfe der fortschrittlichen Transmissionselektronenmikroskopie konnten wir die Ursachen bisher unbekannter Degradationsphänomene bereits im Frühstadium identifizieren. Auf dieser Grundlage möchten wir Strategien zur Verbesserung der Haltbarkeit und Produktionseffizienz von Hoch- Temperaturelektrolysezellen, die zur Wirtschaftlichkeit der sauberen Wasserstoffproduktion beitragen.“
Weitere Informationen:
Haneul Choi et al.: Enthüllung des Hochtemperatur-Zersetzungsmechanismus von Festoxid-Elektrolysezellen durch direkte Abbildung nanoskaliger Grenzflächenphänomene, Energie- und Umweltwissenschaften (2024). DOI: 10.1039/D4EE00896K