Theo thông tin từ các phương tiện truyền thông nước ngoài, một nhóm nghiên cứu Hàn Quốc đã sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) tiên tiến để làm sáng tỏ cơ chế của hiện tượng suy giảm hiệu suất trong hệ thống pin oxy rắn ở nhiệt độ cao. Khác với các nghiên cứu trước đây chỉ phân tích giai đoạn suy giảm cuối cùng ở quy mô micromet, nghiên cứu này đã thành công trong việc xác minh những thay đổi ban đầu của vật liệu pin ở quy mô nanomet.
(Nguồn ảnh: Viện Khoa học và Công nghệ Hàn Quốc)
Các nhà nghiên cứu tham gia vào dự án này bao gồm các chuyên gia từ Trung tâm Nghiên cứu Vật liệu Năng lượng Hydro thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Hàn Quốc (KIST) cùng các tổ chức khác.
Nhóm đã xác định cơ chế suy giảm xảy ra giữa điện cực không khí của pin và điện phân thông qua phân tích nhiễu xạ TEM và tính toán lý thuyết. Kết quả quan sát cho thấy trong quá trình bơm oxy để thúc đẩy phản ứng điện phân, các ion oxy tích tụ ở giao diện điện phân zirconia ổn định yttrium (YSZ). Do đó, cấu trúc nguyên tử của giao diện YSZ bị nén lại, dẫn đến sự hình thành các khuyết tật ở cấp độ nano, và cuối cùng phát sinh các vết nứt giữa điện cực không khí và điện phân, làm suy giảm hiệu suất của pin. Hơn nữa, bằng cách xác minh trực quan sự hình thành lực căng và khuyết tật ở giao diện, nhóm nghiên cứu đã làm rõ mối quan hệ giữa các khuyết tật ion, nguyên tử, nano, lỗ hổng và vết nứt xảy ra ở giai đoạn suy giảm sớm.
Nghiên cứu này lần đầu tiên làm sáng tỏ cơ chế suy giảm ở cấp độ nano, cung cấp định hướng cho việc giải quyết vấn đề hiệu suất giảm trong quá trình hoạt động lâu dài của pin điện phân nhiệt độ cao. Cụ thể, nghiên cứu này giúp phát triển các vật liệu có thể hoạt động ổn định trong thời gian dài ở nhiệt độ trên 600°C, qua đó đáng kể nâng cao độ bền cho pin điện phân thương mại. Công nghệ phân tích TEM cấp độ nano tiên tiến này có thể được sử dụng để giải quyết các vấn đề suy giảm của các thiết bị năng lượng khác nhau.
Nhóm nghiên cứu có kế hoạch hợp tác với các nhà sản xuất để tạo ra quy trình sản xuất tự động quy mô lớn nhằm tăng tốc quá trình thương mại hóa pin điện phân nhiệt độ cao. Hơn nữa, các nhà nghiên cứu đang nỗ lực phát triển các vật liệu mới có thể ức chế sự tích tụ của ion oxy trong các vùng cụ thể của pin, nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm chi phí sản xuất, cuối cùng là giảm chi phí sản xuất hydro sạch.
Tiến sĩ Hye Jung Chang từ KIST cho biết: “Sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua tiên tiến, chúng tôi có thể phát hiện nguyên nhân của hiện tượng suy giảm chưa từng biết ở giai đoạn sớm. Chúng tôi hy vọng dựa trên cơ sở này sẽ đề xuất các chiến lược có thể nâng cao độ bền và hiệu quả sản xuất của pin điện phân nhiệt độ cao, thúc đẩy sự phát triển khả thi kinh tế của sản xuất hydro sạch.”