Medan energikällor som vind och sol är bra på att producera utsläppsfri el, de är beroende av solen och vinden, så utbudet möter inte alltid efterfrågan. Likaså, kärnkraftverk fungerar mer effektivt med maximal kapacitet så att elproduktionen inte lätt kan ökas eller minskas för att matcha efterfrågan.

I årtionden, energiforskare har försökt lösa en stor utmaning:Hur lagrar man överflödig el så att den kan släppas tillbaka till nätet när den behövs?

Nyligen, forskare vid Idaho National Laboratory hjälpte till att svara på den utmaningen genom att utveckla ett nytt elektrodmaterial för en elektrokemisk cell som effektivt kan omvandla överskott av el och vatten till väte. När efterfrågan på el ökar, den elektrokemiska cellen är reversibel, omvandla väte tillbaka till el för nätet. Vätgas kan också användas som bränsle för värme, fordon eller andra tillämpningar.

Resultaten visades online denna vecka i tidskriften Naturkommunikation .

Forskare har länge insett potentialen hos väte som ett energilagringsmedium, sa Dong Ding, en senior ingenjör/vetenskapsman och kemisk processgrupp som leder vid INL.

"Den stora utmaningen för energilagring, med dess olika forsknings- och utvecklingsbehov, gav upphov till fler möjligheter för väte, ", sa Ding. "Vi siktar på väte som energimellanprodukt för att effektivt lagra energi."

Ding och hans kollegor förbättrade en typ av elektrokemisk cell som kallas en protonisk keramisk elektrokemisk cell (PCEC), som använder elektricitet för att dela upp ånga till väte och syre.

Dock, förr, dessa enheter hade begränsningar, speciellt det faktum att de arbetar vid temperaturer så höga som 800 grader C. De höga temperaturerna kräver dyra material och resulterar i snabbare nedbrytning, vilket gör de elektrokemiska cellerna oöverkomliga.

I tidningen, Ding och kollegor beskriver ett nytt material för syreelektroden – ledaren som underlättar vattenspjälkningen och syrereduktionsreaktionerna samtidigt. Till skillnad från de flesta elektrokemiska celler, detta nya material - en oxid av en förening som kallas perovskit - gör att cellen kan omvandla väte och syre till elektricitet utan ytterligare väte.

Tidigare, Ding och hans kollegor utvecklade en 3D-meshliknande arkitektur för elektroden som gjorde mer ytarea tillgänglig för att dela vattnet i väte och syre. Tillsammans, de två teknologierna – 3-D mesh-elektroden och det nya elektrodmaterialet – möjliggjorde självförsörjande, reversibel drift vid 400 till 600 grader C.

"Vi demonstrerade genomförbarheten av reversibel drift av PCEC vid så låga temperaturer för att omvandla genererat väte i hydrolysläge till elektricitet, utan någon extern vätetillförsel, i en självförsörjande operation, ", sa Ding. "Det är ett stort steg för högtemperaturelektrolys."

Medan tidigare syreelektroder endast ledde elektroner och syrejoner, den nya perovskiten är "trippelledning, "Ding sa, vilket betyder att det leder elektroner, syrejoner och protoner. Rent praktiskt, den trippelledande elektroden betyder att reaktionen sker snabbare och mer effektivt, så att driftstemperaturen kan sänkas med bibehållen god prestanda.

För Ding och hans kollegor, tricket var att ta reda på hur man skulle lägga till elementet till perovskitelektrodmaterialet som skulle ge det de tredubbla ledande egenskaperna - en process som kallas dopning. "Vi demonstrerade framgångsrikt en effektiv dopningsstrategi för att utveckla en bra trippelledande oxid, som möjliggör bra cellprestanda vid reducerade temperaturer, " sa Hanping Ding, en materialvetare och ingenjör för Idaho National Laboratory's Chemical Processing Group.

I framtiden, Dong Ding och hans kollegor hoppas kunna fortsätta att förbättra den elektrokemiska cellen genom att kombinera materialinnovation med banbrytande tillverkningsprocesser så att tekniken kan användas i industriell skala.