Solid-oxide-brandstofcellen (SOFC's) bieden een stabiele en efficiënte manier om schone elektrochemische energie op te wekken, maar zijn onpraktisch voor gebruik in draagbare apparaten vanwege hun hoge bedrijfstemperaturen. Een nieuwe ontwerp- en productiestrategie, ontwikkeld door Florencia Edith Wiria van het A*STAR Singapore Institute of Manufacturing Technology en Pei-Chen Su aan de Nanyang Technological University, zou kunnen helpen om SOFC's algemeen te gebruiken1.

Microschaal SOFC's kunnen consumentenelektronica transformeren, op een milieuvriendelijke manier meer vermogen leveren dan bestaande batterijen. Zilver is een aantrekkelijk en betaalbaar alternatief voor de dure platina-kathoden die in de huidige micro-SOFC-ontwerpen worden gebruikt. Maar zilveren elektroden smelten, zodat ze niet de fijne poreuze structuur kunnen behouden die nodig is voor een efficiënte elektrochemische reactie bij de 500-1, 000 graden Celsius temperatuurbereik waarin deze apparaten over het algemeen werken. Wiria en Su wilden daarom een ​​hittebestendige versie van dit systeem ontwikkelen.

"Dit zou de uitbreiding van SOFC's van conventionele stationaire stroombronnen naar draagbare toepassingen mogelijk maken, ' zegt Wiria.

Wiria en Su gebruikten een strategie genaamd 'natte chemische infiltratie', waarin ze dunne films van zilver bedekten met een laag samarium-gedoteerde ceria (SDC). Kritisch, hun aanpak maakte gebruik van een 3D-printer, het verlenen van uitstekende controle over het ontwerp van de elektrode. "We wilden gebruikmaken van de mogelijkheid om fijne, complexe structuren om stroombronnen met verschillende vormen te realiseren, ", zegt Wiria. De resulterende zilverfilms behielden de gewenste structuur op nanoschaal, maar werden ook beschermd onder een kristallijne laag SDC.

Terwijl conventionele zilverfilms snel smolten tot een vormloos aggregaat toen de temperatuur boven 300-400 graden Celsius klom, de SDC-geïnfiltreerde films bleven grotendeels onveranderd, zelfs bij 500 graden Celsius. Deze verbeterde kathode-integriteit vertaalde zich in robuuste brandstofcelprestaties na meer dan een dag continu bedrijf, met prestaties die zelfs de platina-elektroden overtroffen. "We hebben de thermische stabiliteit van vaste-oxidebrandstofcellen aanzienlijk verbeterd met nanoporeuze zilverkathoden van de huidige degradatie van 73,6 procent tot slechts 7,9 procent, ' zegt Wiria.

Microscopische analyse bevestigde dat de microstructuur van de elektrode zelfs na deze test grotendeels intact bleef, en de geïnfiltreerde kathoden vertoonden slechts een bescheiden extra degeneratie na 60 bedrijfsuren.

Dit werk belooft het nut van microschaal-SOFC's aanzienlijk uit te breiden, en Wiria en Su onderzoeken verdere modificaties die nog meer stabiliteit en flexibiliteit in hun kathodeontwerpen zouden kunnen geven. "We proberen momenteel een 'core-shell'-methode te gebruiken om onze zilveren nanodeeltjes volledig in te kapselen, " legt Wiria uit, "en kijken naar andere 3D-printmethoden om SDC-geïnfiltreerde SOFC's te produceren."