Le développement de nouvelles cellules électrochimiques plus efficaces pourrait constituer une bonne option pour la production d’hydrogène et de produits chimiques sans carbone, ainsi que la production et le stockage d’électricité à grande échelle.
Mais d’abord, les scientifiques doivent surmonter plusieurs défis, notamment comment rendre les cellules plus efficaces et plus rentables.
Récemment, une équipe de recherche dirigée par le Laboratoire national de l’Idaho a utilisé un processus simple pour lier plus étroitement les matériaux dans les cellules électrochimiques céramiques protoniques, également connues sous le nom de PCEC, résolvant un mystère qui avait limité les performances de la technologie. Les résultats ont été publiés dans le dernier numéro de Nature. Il s’agit du premier article de recherche dirigé par l’INL publié dans cette revue en près de 30 ans.
L’équipe comprenait des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology, de l’Université d’État du Nouveau-Mexique et de l’Université du Nebraska-Lincoln.
Tout comme les batteries rechargeables utilisent la chimie pour stocker l’électricité pour une utilisation ultérieure, les PCEC peuvent convertir l’excès d’électricité et d’eau en hydrogène. Les PCEC peuvent également fonctionner en sens inverse, convertissant l’hydrogène en électricité. La technologie utilise des matériaux cristallins appelés pérovskites, qui sont peu coûteux et capables de fonctionner dans une large gamme de températures.
Des chercheurs aux États-Unis développent les cellules électrochimiques principalement pour la génération d’hydrogène, mais aussi pour plusieurs autres applications. L’hydrogène produit par ces cellules peut également être utilisé comme combustible pour le chauffage, les véhicules, la production chimique ou d’autres applications.
En théorie, les PCEC devraient fonctionner plus efficacement dans une plage de températures plus large que les types similaires de cellules électrochimiques. Mais jusqu’à présent, les chercheurs ne pouvaient pas atteindre le potentiel théorique de la technologie.
« Les PCEC devraient bien fonctionner en raison de leur conductivité élevée et de la faible énergie d’activation associée », a déclaré Dong Ding, éminent ingénieur/scientifique à l’INL. « Pourtant, nous avons constaté que leurs performances actuelles sont inférieures à ce que nous attendions, et notre équipe à l’INL se consacre à comprendre pourquoi depuis 2017. »
L’équipe a entrepris de résoudre le mystère en mesurant la façon dont les protons (atomes d’hydrogène chargés positivement) traversaient l’interface électrode/électrolyte. Effectivement, l’interface était le problème. Plus précisément, Wei Wu, chercheur en génie des matériaux à l’INL, soupçonnait que l’électrode et l’électrolyte n’étaient pas suffisamment liés.
Ding et ses collègues ont utilisé un simple traitement à l’acide pour lier l’électrode à l’électrolyte, permettant un transfert d’énergie plus efficace. « Le simple traitement à l’acide peut rajeunir la surface du PCEC, pour l’aider à atteindre des performances maximales », a déclaré Wenjuan Bian, boursier postdoctoral et principal contributeur à ce projet. « Cette approche peut être facilement étendue et intégrée pour la fabrication de grandes cellules et de piles »
Après un examen attentif, les chercheurs ont découvert que le traitement à l’acide augmentait la zone de contact entre l’électrode et l’électrolyte, rendant la surface rugueuse de la même manière qu’un potier rugueuse l’argile humide d’une tasse avant de fixer la poignée.
L’augmentation de la surface a provoqué une liaison plus étroite entre l’électrode et l’électrolyte qui a permis un flux plus efficace d’atomes d’hydrogène. De plus, la stabilité des cellules s’est améliorée de manière significative, en particulier dans certaines conditions extrêmes.
Ce processus pourrait ouvrir les portes à de nombreuses applications « d’hydrogène propre et vert », a déclaré Wu.
« Le PCEC haute performance nous permet de pousser la température de fonctionnement jusqu’à 350 C », a déclaré Ding. « La température de fonctionnement réduite permet des matériaux moins chers pour l’assemblage à grande échelle, y compris la pile. Plus important encore, la technologie fonctionne dans la même plage de températures que plusieurs processus industriels actuels importants, y compris la production d’ammoniac et la réduction du CO2. L’adaptation de ces températures accélérera le l’adoption de la technologie au sein de l’industrie existante. En fait, nous accélérons la mise à l’échelle de ces cellules à l’INL, en intégrant cette technologie dans nos processus de fabrication.
Wenjuan Bian et al, Revitalizing interface in protonic ceramic cells by acid etch, Nature (2022). DOI : 10.1038/s41586-022-04457-y