Новый химический дизайн электрохимических ячеек
Электрохимические технологии — один из самых эффективных способов преобразования энергии. В последнее время достигнуты значительные успехи в разработке и масштабировании электрохимических устройств на твёрдых электролитах для генерации электроэнергии и преобразования газов — это хорошо известные твердооксидные топливные элементы и электролизеры (ТОТЭ и ТОЭ).
В Институте высокотемпературной электрохимии УрО РАН разработки электрохимических устройств на основе ТОТЭ и ТОЭ ведутся с 1960-х гг. Здесь был создан первый в Европе стек киловаттного класса, который успешно прошел испытания, однако из-за кризиса 1990-х гг. работы приостановились и возобновились только в 2008 г. благодаря сотрудничеству с ГК «Росатом» и ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург».
Кандидат химических наук Д.М. Захаров, научный сотрудник А.В. Ходимчук, кандидат химических наук Н.М. Поротникова
Сегодня в трёх лабораториях ИВТЭ УрО РАН в этом направлении работает новое поколение исследователей. Так, в молодёжной лаборатории электрохимических устройств и топливных элементов ИВТЭ УрО РАН оптимизируют конструкцию ТОТЭ и решают другие актуальные задачи. На этот раз речь пойдет о лаборатории кинетики, сотрудники которой во главе с заведующим, доктором химических наук Денисом Осинкиным разрабатывают инновационный подход к химическому дизайну электрохимических ячеек. Мы поговорили с Денисом Алексеевичем об этом проекте, получившем поддержку РНФ.
— В чём актуальность ваших исследований?
— Сценарии практического использования установок на основе ТОТЭ/ТОЭ весьма разнообразны, в частности, они могут применяться как стационарные системы в промышленности, народном хозяйстве, на морском и авиационном транспорте. Уже сейчас многие компании предлагают автономные электростанции на основе ТОТЭ. Однако на данный момент спрос на такие устройства невелик из-за высокой стоимости целевого продукта (электроэнергии и водорода), а также ряда недостатков нынешнего поколения ТОТЭ и ТОЭ. Эти недостатки — большие финансовые затраты на изготовление, крайне долгое время выхода на рабочий режим (до нескольких суток из-за длительного восстановления никель-керметных электродов), химическое взаимодействие между материалами — обусловлены выбранным несколько десятилетий назад вектором развития химического дизайна ТОТЭ и ТОЭ, а именно использованием многослойных гетерофазных структур с различающимися физическими, химическими и термомеханическими свойствами слоев.
— Каким образом вы собираетесь преодолеть эти недостатки?
— Относительно недавно стало развиваться направление так называемых симметричных элементов, в которых анод и катод имеют одинаковый химический состав и микроструктуру. Такой подход имеет ряд весомых преимуществ перед традиционным дизайном ячеек, в частности, появляется возможность быстрого первого запуска.
Мы начали работать в этом направлении в 2016 г. и уже достигли некоторых успехов как в разработке новых высокоэффективных электродных материалов, так и в понимании природы процессов, происходящих на межфазных границах в таких ячейках.
Предложенная мной концепция заключается в разработке нового химического дизайна электрохимических ячеек, предполагающего полное сближение ионного состава электролита, анода и катода. Такой подход колоссально снизит сроки и ресурсозатраты на изготовление ячеек и позволит сократить время запуска благодаря высокой термомеханической и химической совместимости компонентов ячейки и отсутствию стадии восстановления топливного электрода. Более того, такие ячейки способны работать как обратимые устройства в широком диапазоне напряжений, что существенно расширяет возможности их использования.
Для дальнейшего продвижения в первую очередь нужно решить важные вопросы материаловедческого характера, а именно, подобрать такие материалы, чтобы, не меняя их ионный состав, а только варьируя соотношение между концентрацией катионов, можно было бы радикально изменять их (материалов) характеристики. У нас есть определённый задел в этом направлении, который был получен при работах с обычными симметричными ячейками и взят за основу.
Аспирант Е.В. Гордеев, справа — доктор химических наук Д.А. Осинкин
— Расскажите, пожалуйста, коротко об участниках вашего проекта и о ближайшей перспективе.
— Наш коллектив молодёжный — из девяти человек восемь моложе 39 лет, — и междисциплинарный. Это специалисты в области синтеза, физических методов исследования, изучения кинетики обмена между твёрдым телом и газовой фазой методом изотопного обмена, а также твердотельные электрохимики — специалисты в области спектроскопии электрохимического импеданса и процессов токообразования на электродах электрохимических устройств.
О том, что наш проект поддержан РНФ, мы узнали нынешней весной, но работы начали ещё осенью прошлого года, поэтому сейчас у нас уже есть ряд значимых положительных результатов, которые свидетельствуют о перспективности генеральной идеи — достигнуть идентичности ионного состава электролита, анода и катода электрохимических ячеек.
Решение названных задач позволит продвинуться в реализации стратегии научно-технологического развития Российской Федерации «H2. Переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике, повышение эффективности добычи и глубокой переработки углеводородного сырья, формирование новых источников, способов транспортировки и хранения энергии». Электрохимические устройства на основе новых материалов и электрохимических ячеек будут востребованы в энергетическом секторе, в атомной промышленности, в малой авиации и многих других областях.
Текст: Е. Понизовкина.
Источник: «Наука Урала».
