(PhysOrg.com) -- Tillsatsen av extremt små kristaller till fast elektrolytmaterial har potential att avsevärt höja effektiviteten hos bränsleceller. Forskare vid TU Delft var de första som dokumenterade detta korrekt. Deras andra artikel i ämnet på mycket kort tid publicerades i den vetenskapliga tidskriften, Avancerade funktionella material .

Forskarna vid yrkeshögskolan vid TU Delft koncentrerade sina ansträngningar på att förbättra elektrolytmaterial. Detta är materialet mellan två elektroder, till exempel i en bränslecell eller ett batteri. Ju bättre egenskaper elektrolyten har, desto bättre, mer kompakt eller mer effektivt fungerar bränslecellen eller batteriet.

Elektrolyten är vanligtvis en vätska, men detta har ett antal nackdelar. Vätskan måste vara mycket väl innesluten, till exempel, och det tar relativt mycket plats. "Det skulle därför vara att föredra att ha en elektrolyt gjord av fast material, " säger doktoranden Lucas Haverkate. "Tyvärr dock, det har också nackdelar. Konduktiviteten i fasta ämnen är inte lika bra som i en vätska."

"I en fast materia har du ett nätverk av joner, där praktiskt taget varje position i nätverket tas. Detta gör det svårt för de laddade partiklarna (protonerna) att flytta från en elektrod till en annan. Det är lite som en bilkö på en motorväg. Vad du behöver göra är att skapa lediga utrymmen i nätverket."

Ett av sätten att uppnå detta, och därför öka ledningsförmågan i fasta elektrolyter, är att lägga till nanokristaller (av sju nanometer till cirka femtio nanometer), av titandioxid. "En egenskap hos dessa TiO ₂ kristaller är att de drar till sig protoner, och detta skapar mer utrymme i nätverket." Nanokristallerna blandas i elektrolyten med en fast syra (CsHSO ₄ ). Detta senare material "levererar" protonerna till kristallerna. "Tillsättningen av kristallerna verkar orsaka ett enormt steg i ledningskapaciteten, upp till en faktor 100, avslutar Haverkate.

Denna anmärkningsvärda prestation av TU Delft har redan lett till två publikationer i den vetenskapliga tidskriften Advanced Functional Materials. Förra december, Haverkate publicerade en artikel om teorin bakom resultaten. Hans doktorand, Wing Kee Chan, är huvudförfattaren till en andra artikel som dök upp i samma publikation denna vecka. Chan fokuserade på den experimentella sidan av forskningen. "Det fina med dessa två publikationer är att de experimentella resultaten och den teoretiska grunden kompletterar varandra starkt, säger Haverkate.

Chan utförde mätningar på elektrolytmaterialet med hjälp av neutrondiffraktionsmetoden. Detta innebär att neutroner skickas genom materialet. Sättet på vilket neutronerna sprids gör det möjligt att härleda vissa egenskaper hos materialet, såsom tätheten av protoner i kristallerna. Haverkate:"Det är första gången som mätningar har gjorts av fasta elektrolyter på detta sätt, och i så liten skala. Det faktum att vi hade kärnforskningsteknik vid Reactor Institute Delft till vårt förfogande var oerhört värdefullt."

Dock, kombinationen av TiO ₂ och CsHSO ₄ markerar inte slutet på sökandet efter en lämplig elektrolyt av fast material. Andra materialkombinationer kommer att testas som kan uppnå bättre poäng inom stabilitetsområdet, till exempel. Professor Fokko Mulder, vem är Haverkates och Chans doktorandhandledare, säger. "I detta skede, vi är mer bekymrade över att skaffa oss en grundläggande förståelse och en användbar modell, än den konkreta frågan om att ta reda på vad som är det lämpligaste materialet. Det är viktigt att vi identifierar effekten av nanokristaller, och ge den en teoretisk grund. Jag tror att det finns stor potential för dessa elektrolyter. De har också den extra fördelen att de fortsätter att fungera bra över ett brett temperaturintervall, vilket är särskilt relevant för att använda dem i bränsleceller."