Les chercheurs du KIST dévoilent des perspectives nanoscopiques sur les baisses de performance

Alors que la course à l’hydrogène s’intensifie à l’échelle mondiale, des scientifiques coréens viennent de réaliser une découverte capitale. L’équipe de recherche du KIST, emmenée par Hye Jung Chang et Kyung Joong Yoon, a réussi l’exploit d’observer, à l’échelle du nanomètre, les tout premiers signes de dégradation des cellules qui déclenche la baisse de performance des systèmes de cellules d’électrolyse à oxyde solide à haute température, à l’aide de la microscopie électronique à transmission avancée. Contrairement aux études précédentes, qui analysaient les étapes finales de la dégradation à l’échelle du micromètre (1 µm, un millionième de mètre), cette étude a vérifié avec succès les changements initiaux dans les matériaux des cellules d’électrolyse à l’échelle du nanomètre (1 nm, un milliardième de mètre).

L’équipe de recherche a identifié le mécanisme de dégradation se produisant entre l’électrode d’air et l’électrolyte de la cellule d’électrolyse par le biais d’une analyse de diffraction TEM et de calculs théoriques. Les observations ont révélé que les ions d’oxygène s’accumulaient à l’interface de l’électrolyte, connu sous le nom de zircone stabilisée à l’yttrium (YSZ), au cours du processus d’injection d’oxygène qui entraîne la réaction d’électrolyse.

En conséquence, la structure atomique de l’YSZ interfaciale est comprimée, ce qui entraîne la formation de défauts à l’échelle nanométrique et, finalement, de fissures entre l’électrode d’air et l’électrolyte, ce qui entraîne à son tour la détérioration des performances de la cellule. En outre, en vérifiant visuellement les contraintes et les défauts formés à l’interface, l’équipe a réussi à élucider la corrélation entre les ions, les atomes, les défauts à l’échelle nanométrique, les pores et les fissures survenant aux premiers stades de la dégradation.

Cette recherche est la première à élucider le mécanisme de dégradation à l’échelle nanométrique, fournissant des lignes directrices pour remédier à la baisse de performance des cellules d’électrolyse à haute température au cours d’un fonctionnement à long terme. Plus précisément, elle pourrait permettre le développement de matériaux capables de fonctionner de manière stable à plus de 600 °C pendant de longues périodes, ce qui améliorerait considérablement la durabilité des cellules d’électrolyse commerciales. La technologie analytique à l’échelle nanométrique utilisant le TEM avancé dans cette étude peut être appliquée pour résoudre les problèmes de dégradation dans divers dispositifs énergétiques.

L’équipe de recherche prévoit d’accélérer la commercialisation des cellules d’électrolyse à haute température en collaborant avec les fabricants afin d’établir des processus de production automatisés pour la production de masse. En outre, elle mène des recherches pour développer de nouveaux matériaux capables de supprimer l’accumulation d’ions d’oxygène dans des zones spécifiques de la cellule d’électrolyse, afin d’accroître l’efficacité et de réduire les coûts de production, pour finalement abaisser le coût de la production d’hydrogène propre.

Le Dr Chang, du KIST, a indiqué : « En utilisant la microscopie électronique à transmission avancée, nous avons pu identifier les causes de phénomènes de dégradation inconnus jusqu’alors, et ce dès les premiers stades. Sur cette base, nous visons à présenter des stratégies pour améliorer la durabilité et l’efficacité de production des cellules d’électrolyse à haute température, contribuant ainsi à la viabilité économique de la production d’hydrogène propre ».

Légende illustration : La technologie des cellules d’électrolyse à oxyde solide (SOEC) est l’une des méthodes les plus efficaces pour produire de l’hydrogène propre. Cependant, la délamination des électrodes reste un problème important. Pour identifier les causes de la délamination des électrodes, des études récentes ont utilisé la microscopie électronique à transmission (TEM) et la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) pour découvrir la dégradation de l’interface à l’échelle nanométrique.

Source : KIST