Les cellules céramiques protoniques ouvrent de nouvelles perspectives pour l’énergie propre

La recherche d’une énergie propre et efficace mobilise les scientifiques à travers le monde. Les cellules céramiques protoniques (PCC) constituent une option intéressante dans ce domaine. Leur fabrication requiert cependant des températures extrêmement élevées, ce qui freine leur développement industriel. Une équipe de chercheurs coréens vient de réaliser une avancée de taille en proposant une nouvelle méthode de synthèse qui pourrait modifier considérablement les possibilités offertes par cette technologie.

Le Dr Ho-Il Ji du Centre de recherche sur les matériaux pour l’énergie hydrogène de l’Institut coréen des sciences et technologies (KIST) et l’équipe du professeur Sihyuk Choi de l’Institut national de technologie de Kumoh ont développé une nouvelle méthode de synthèse pour les électrolytes des cellules céramiques protoniques. Leur technique réduit considérablement la température de frittage nécessaire au processus de densification de l’électrolyte.

Les cellules à oxyde solide (SOC) actuelles génèrent de l’électricité en mode pile à combustible et de l’hydrogène en mode électrolyse. Leur fonctionnement à des températures dépassant 600°C permet d’obtenir un rendement de conversion énergétique élevé. Les coûts de production demeurent néanmoins importants en raison de la nécessité d’utiliser des matériaux résistants aux hautes températures.

Les atouts des cellules céramiques protoniques

Les cellules céramiques protoniques (PCC) se distinguent par l’utilisation du transport de protons (ions hydrogène) plutôt que d’ions oxygène. Cette caractéristique leur confère une conductivité ionique supérieure. La production de l’électrolyte pour les PCC nécessitait jusqu’à présent un frittage à des températures excédant 1 500°C. Ce processus entraînait l’évaporation ou la précipitation de composants, altérant les propriétés de conduction ionique de l’électrolyte.

L’équipe de recherche a mis au point un procédé innovant pour synthétiser les matériaux de l’électrolyte. Contrairement à la méthode traditionnelle utilisant une poudre composée d’un seul composé, les scientifiques ont synthétisé une poudre contenant deux composés différents à basse température. Lors du frittage, un composé unique aux excellentes propriétés de frittage se forme, accompagnant la réaction vers une phase unique. Cette technique permet d’abaisser la température de frittage à 1 400°C sans recourir à des additifs.

Un nouveau procédé pour réduire la température de frittage

L’électrolyte céramique protonique synthétisé par ce nouveau procédé forme une membrane dense même à des températures plus basses. Les propriétés électrochimiques de la cellule s’en trouvent améliorées. Appliqué aux cellules céramiques protoniques réelles, cet électrolyte a démontré une conductance protonique supérieure. Une densité de puissance de 950 mW/cm² à 600°C a été atteinte, soit environ le double des cellules existantes.

Le Dr Ji du KIST a affirmé : «Cette recherche a résolu les problèmes chroniques de frittage dans la production de cellules céramiques protoniques. Si la technologie à grande surface est développée avec succès, elle permettra une gestion efficace de l’énergie grâce à la production d’hydrogène vert par électrolyse et d’hydrogène rose en utilisant la chaleur résiduelle des centrales nucléaires», a-t-il déclaré.

Des performances améliorées et des applications potentielles

Cette innovation devrait réduire le temps de processus tout en améliorant la stabilité thermique et les performances des électrolytes céramiques. Le temps de processus sera réduit grâce à cette innovation. La stabilité thermique et les performances des électrolytes céramiques seront également améliorées.

L’équipe de recherche prévoit d’appliquer ce nouveau procédé, qui utilise le frittage accéléré entre les deux composés, à la production de cellules à grande surface pour la commercialisation des cellules céramiques protoniques. Les applications potentielles de cette technologie sont nombreuses et prometteuses pour l’avenir de l’énergie propre.

Légende illustration : L’électrolyte céramique protonique à double phase produit par le processus de synthèse à basse température présente des caractéristiques de frittage améliorées, ce qui permet de réduire la température de frittage des processus conventionnels. Par conséquent, les propriétés intrinsèques de l’électrolyte peuvent être réalisées dans le dispositif, ce qui améliore les performances de la cellule. Crédit : Korea Institute of Science and Technology

Article : ‘Dual-Phase Reaction Sintering for Overcoming the Inherent Sintering Ability of Refractory Electrolytes in Protonic Ceramic Cells’ / ( 10.1002/aenm.202400787 ) – National Research Council of Science & Technology – Publication dans la revue Advanced Energy Materials