Mentre le fonti energetiche come l'eolico e il solare sono ottime per produrre elettricità senza emissioni, dipendono dal sole e dal vento, quindi l'offerta non sempre soddisfa la domanda. Allo stesso modo, le centrali nucleari funzionano in modo più efficiente alla massima capacità in modo che la produzione di elettricità non possa essere facilmente aumentata o ridotta per soddisfare la domanda.

Per decenni, i ricercatori energetici hanno cercato di risolvere una grande sfida:come si immagazzina l'elettricità in eccesso in modo che possa essere rilasciata nuovamente nella rete quando è necessaria?

Recentemente, i ricercatori dell'Idaho National Laboratory hanno contribuito a rispondere a questa sfida sviluppando un nuovo materiale per elettrodi per una cella elettrochimica in grado di convertire in modo efficiente l'elettricità e l'acqua in eccesso in idrogeno. Quando la domanda di energia elettrica aumenta, la cella elettrochimica è reversibile, riconvertire l'idrogeno in energia elettrica per la rete. L'idrogeno potrebbe essere utilizzato anche come combustibile per il calore, veicoli o altre applicazioni.

I risultati sono apparsi online questa settimana sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

I ricercatori hanno da tempo riconosciuto il potenziale dell'idrogeno come mezzo di accumulo di energia, disse Dong Ding, un ingegnere/scienziato dello staff senior e un gruppo di elaborazione chimica a capo dell'INL.

"La grande sfida dello stoccaggio di energia, con le sue diverse esigenze di ricerca e sviluppo, ha dato origine a maggiori opportunità per l'idrogeno, " ha detto Ding. "Stiamo prendendo di mira l'idrogeno come l'energia intermedia per immagazzinare in modo efficiente l'energia".

Ding e i suoi colleghi hanno migliorato un tipo di cella elettrochimica chiamata cella elettrochimica ceramica protonica (PCEC), che utilizza l'elettricità per dividere il vapore in idrogeno e ossigeno.

Però, nel passato, questi dispositivi avevano dei limiti, soprattutto il fatto che operano a temperature fino a 800 gradi C. Le alte temperature richiedono materiali costosi e provocano una degradazione più rapida, rendendo il costo delle celle elettrochimiche proibitivo.

Nella carta, Ding e colleghi descrivono un nuovo materiale per l'elettrodo dell'ossigeno, il conduttore che facilita simultaneamente le reazioni di scissione dell'acqua e di riduzione dell'ossigeno. A differenza della maggior parte delle celle elettrochimiche, questo nuovo materiale, un ossido di un composto chiamato perovskite, consente alla cellula di convertire l'idrogeno e l'ossigeno in elettricità senza ulteriore idrogeno.

In precedenza, Ding e i suoi colleghi hanno sviluppato un'architettura a maglie 3D per l'elettrodo che ha reso disponibile più superficie per dividere l'acqua in idrogeno e ossigeno. Insieme, le due tecnologie, l'elettrodo a rete 3-D e il nuovo materiale dell'elettrodo, hanno permesso di auto-sostenibile, funzionamento reversibile da 400 a 600 gradi C.

"Abbiamo dimostrato la fattibilità del funzionamento reversibile del PCEC a temperature così basse per convertire l'idrogeno generato in modalità idrolisi in elettricità, senza alcuna fornitura esterna di idrogeno, in un'operazione autosufficiente, "Ding ha detto. "È un grande passo avanti per l'elettrolisi ad alta temperatura".

Mentre gli elettrodi ad ossigeno del passato conducevano solo elettroni e ioni di ossigeno, la nuova perovskite è "tripla conduzione, "Ding ha detto, nel senso che conduce elettroni, ioni ossigeno e protoni. In termini pratici, l'elettrodo a triplo conduttore significa che la reazione avviene più velocemente e in modo più efficiente, così la temperatura di esercizio può essere ridotta mantenendo buone prestazioni.

Per Ding e i suoi colleghi, il trucco era capire come aggiungere l'elemento al materiale dell'elettrodo di perovskite che gli avrebbe conferito le proprietà di triplice conduzione, un processo chiamato doping. "Abbiamo dimostrato con successo un'efficace strategia antidoping per sviluppare un buon ossido a triplo conduttore, che consente buone prestazioni delle celle a temperature ridotte, " disse Hanping Ding, scienziato dei materiali e ingegnere per il Chemical Processing Group dell'Idaho National Laboratory.

Nel futuro, Dong Ding e i suoi colleghi sperano di continuare a migliorare la cella elettrochimica combinando l'innovazione dei materiali con processi di produzione all'avanguardia in modo che la tecnologia possa essere utilizzata su scala industriale.