Твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) — крупные и мощные устройства хранения электрической энергии, способные накапливать энергию на тысячи часов. Они используются в качестве источников электроэнергии для питания вышек мобильных операторов, жилых зданий, военной и космической техники. Преобразование и хранения электрической энергии происходит с помощью материалов с высокой кислород-ионной проводимостью, которая становится возможной при высоких температурах (более 900 °С). Поиск материалов, обладающих достаточно высокой проводимостью при более низком температурном интервале — актуальная задача современной электрохимии. Ученые кафедры "Общая и неорганическая химия" Самарского политеха проанализировали свойства относительно новых кислород-проводящих материалов. Они выполняли исследование совместно с коллегами из МГУ им. М. В. Ломоносова, Института проблем химической физики РАН и Уральского федерального университета. Результаты опубликованы в журнале Dalton Transactions (DOI: https://doi.org/10.1039/D4DT02462A).
"Принцип работы обычных металл-ионных аккумуляторов и ТОТЭ очень схож. И там, и там используются проводящие кристаллические неорганические материалы. Только в аккумуляторах их проводимость достигается с помощью диффузии катионов (для большинства аккумуляторов это литий), а в ТОТЭ — диффузии кислород-аниона. Только в отличие от аккумуляторов, работающих в условиях окружающей нас среды, в ТОТЭ этот процесс возможен только при высоких температурах", — поясняет доцент кафедры "Общая и неорганическая химия" Самарского политеха Елизавета Морхова.
Команда ученых провела подробное исследование потенциально подходящих для ТОТЭ материалов с высокой кислород-ионной проводимостью. Например, измеряли проводимость при разных давлениях и в широком температурном диапазоне (от 400 до 900 градусов Цельсия) как в сухой, так и во влажной атмосфере воздуха.
"То, что оксид висмута обладает одной из самых высоких проводимостей, стало известно еще в 1970 году. Однако его проводимость начинает проявляться при температурах от 730 градусов Цельсия, когда стабильной начинает быть его проводящая структурная модификация — рассказывает Морхова. — Более 20 лет назад были синтезированы материалы на основе смеси бинарных оксидов висмута и лантоноидов, так называемых фаз Ватанабе. Все они сохраняют проводящую структуру при более низких температурах".
Материалы показали термическую и химическую стабильность и во всех температурных режимах. Кроме этого, ученые выяснили, что в образцах присутствует смешанная электрон-ионная проводимость, величина которой достигала высоких значений уже при температурах ниже 800 °C.
