Muchos de nosotros estamos muy familiarizados con la forma en que la tensión en las relaciones laborales puede afectar el rendimiento, pero una nueva investigación muestra que los materiales en las celdas de combustible que producen electricidad pueden ser sensibles a la tensión en un nivel completamente diferente.

Investigadores de la Universidad de Kyushu informan que la tensión causada por solo una reducción del 2 % en la distancia entre los átomos cuando se depositan en una superficie conduce a una enorme disminución del 99,999 % en la velocidad a la que los materiales conducen los iones de hidrógeno, lo que reduce en gran medida el rendimiento del combustible de óxido sólido. células.

El desarrollo de métodos para reducir esta tensión ayudará a llevar celdas de combustible de alto rendimiento para la producción de energía limpia a un mayor número de hogares en el futuro.

Capaces de generar electricidad a partir de hidrógeno y oxígeno mientras emiten solo agua como "residuos", las celdas de combustible dependen de un electrolito para transportar iones producidos al romper las moléculas de hidrógeno u oxígeno de un lado del dispositivo al otro.

Aunque el término electrolito a menudo puede evocar imágenes de líquidos y bebidas deportivas, también pueden ser sólidos. Para las celdas de combustible, los investigadores están particularmente interesados ​​en electrolitos basados ​​en cerámica y óxidos sólidos (materiales duros compuestos de oxígeno y otros átomos) que conducen iones de hidrógeno positivos, también conocidos como protones.

Dichos óxidos sólidos conductores de protones no solo son más duraderos que los líquidos y las membranas poliméricas, sino que también pueden operar en rangos de temperatura media de 300 a 600 °C, que es más baja que sus contrapartes conductoras de iones de oxígeno.

"Una clave para una buena eficiencia es hacer que los protones a través del electrolito reaccionen con el oxígeno lo más rápido posible", dice Junji Hyodo, autor del estudio y profesor asistente de investigación en la Plataforma de Investigación de Energía Inter-/Transdisciplinaria de la Universidad de Kyushu (Q -HOYO).

"Sobre el papel, tenemos materiales con excelentes propiedades que deberían conducir a un rendimiento excelente cuando se usan en celdas de combustible de óxido sólido, pero el rendimiento real tiende a ser mucho menor".

Ahora, los investigadores creen que saben por qué a través de investigaciones de lo que sucede donde el electrolito se encuentra con el electrodo que induce la reacción.

"Las propiedades de los materiales individuales a menudo se miden en una condición en la que están libres de la influencia de las capas circundantes, lo que llamamos volumen. Sin embargo, cuando una capa de óxido crece sobre una superficie, sus átomos a menudo tienen que reajustarse para adaptarse a las propiedades de la superficie subyacente, lo que genera diferencias con respecto al resto", explica Hyodo.

Para su estudio, los investigadores se centraron en un óxido prometedor conocido como BZY20, que es una combinación de átomos de itrio, bario, circonio y oxígeno. BYZ20 forma un cristal con una estructura común que encaja en un cubo y se repite una y otra vez en la superficie a medida que crece el óxido.

Al observar muestras con varios espesores, encontraron que los átomos en los bordes de este cubo están un 2% más cerca en la interfaz entre el óxido y la superficie que en las capas alejadas de la superficie. Además, esta tensión de compresión reduce la conductividad de protones a casi 1/100.000 de lo que es en muestras a granel.

"Un cambio de solo el 2 %, de un metro a 98 cm a gran escala, puede sonar insignificante, pero en un dispositivo donde las interacciones ocurren a escala atómica, tiene un impacto enorme", dice Yoshihiro Yamazaki, profesor de Q- PIT y asesor del estudio.

A medida que se acumulan las capas, esta tensión de compresión se reduce lentamente y el cubo finalmente alcanza su tamaño preferido lejos de la interfaz. Pero si bien la conductividad puede ser alta lejos de la superficie, el daño ya está hecho.

Al tener en cuenta esta conductividad reducida al calcular el rendimiento esperado, se obtienen valores que concuerdan con el rendimiento real de la celda de combustible, lo que indica que es probable que la tensión desempeñe un papel en la reducción del rendimiento.

"Si bien tenemos buenos materiales individuales, mantener sus propiedades cuando se combinan en un dispositivo es fundamental. En este caso, ahora sabemos que se necesitan estrategias para reducir la tensión donde el óxido se encuentra con el electrodo", dice Yamazaki.

La investigación fue publicada en el Journal of Physics:Energy . + Explora más

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