(PhysOrg.com) -- De toevoeging van extreem kleine kristallen aan vast elektrolytmateriaal kan de efficiëntie van brandstofcellen aanzienlijk verhogen. Onderzoekers van de TU Delft waren de eersten die dit nauwkeurig documenteerden. Hun tweede artikel over het onderwerp in een zeer korte tijd werd gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift, Geavanceerde functionele materialen .

De onderzoekers van de faculteit Technische Natuurwetenschappen van de TU Delft concentreerden zich op het verbeteren van elektrolytmaterialen. Dit is het materiaal tussen twee elektroden, bijvoorbeeld in een brandstofcel of een batterij. Hoe beter de eigenschappen van de elektrolyt, des te beter, compacter of efficiënter werkt de brandstofcel of batterij.

De elektrolyt is meestal een vloeistof, maar dit heeft een aantal nadelen. De vloeistof moet zeer goed worden ingesloten, bijvoorbeeld, en neemt relatief veel ruimte in beslag. "Het zou daarom de voorkeur hebben om een ​​elektrolyt van vaste stof te hebben, ", zegt promovendus Lucas Haverkate. "Helaas wel dat heeft ook nadelen. De geleidbaarheid in vaste stof is niet zo goed als in een vloeistof."

"In een vaste stof heb je een netwerk van ionen, waarin vrijwel elke positie in het netwerk wordt ingenomen. Dit maakt het moeilijk voor de geladen deeltjes (protonen) om van de ene elektrode naar de andere te gaan. Het is een beetje zoals een file op een snelweg. Wat u moet doen, is vrije ruimtes in het netwerk creëren."

Een van de manieren om dit te bereiken, en dus van toenemende geleidbaarheid in vaste elektrolyten, is het toevoegen van nanokristallen (van zeven nanometer tot ongeveer vijftig nanometer), van titaandioxide. "Een kenmerk van deze TiO ₂ kristallen is dat ze protonen aantrekken, en zo ontstaat er meer ruimte in het netwerk.” De nanokristallen worden in de elektrolyt gemengd met een vast zuur (CsHSO ₄ ). Dit laatste materiaal 'levert' de protonen aan de kristallen. "De toevoeging van de kristallen lijkt een enorme sprong in het geleidend vermogen te veroorzaken, tot een factor 100, ’ besluit Haverkate.

Deze opmerkelijke prestatie van de TU Delft heeft al geleid tot twee publicaties in het wetenschappelijke tijdschrift Advanced Functional Materials. Afgelopen december, Haverkate publiceerde een artikel over de theorie achter de resultaten. Zijn medepromovendus, Wing Kee Chan, is de hoofdauteur van een tweede item dat deze week in dezelfde publicatie verscheen. Chan richtte zich op de experimentele kant van het onderzoek. "Het mooie van deze twee publicaties is dat de experimentele resultaten en de theoretische onderbouwing elkaar sterk aanvullen, ’ zegt Haverkate.

Chan deed metingen aan het elektrolytmateriaal met behulp van de neutronendiffractiemethode. Hierbij worden neutronen door het materiaal gestuurd. De manier waarop de neutronen worden verspreid, maakt het mogelijk om bepaalde eigenschappen van het materiaal af te leiden, zoals de dichtheid van protonen in de kristallen. Haverkate:“Het is voor het eerst dat op deze manier metingen worden gedaan aan vaststofelektrolyten, en op zo'n kleine schaal. Het feit dat we bij het Reactor Instituut Delft de beschikking hadden over nucleaire onderzoekstechnologieën was enorm waardevol."

Echter, de combinatie van TiO ₂ en CsHSO ₄ betekent niet het einde van de zoektocht naar een geschikte vastestofelektrolyt. Andere materiaalcombinaties worden getest die mogelijk beter scoren op het gebied van stabiliteit, bijvoorbeeld. Professor Fokko Mulder, wie is de PhD-promotor van Haverkate en Chan, zegt. "In dit stadium we zijn meer bezorgd over het verwerven van een fundamenteel begrip en een bruikbaar model, dan de concrete kwestie van uitzoeken wat het meest geschikte materiaal is. Het is belangrijk dat we het effect van nanokristallen identificeren, en geef het een theoretische basis. Ik denk dat er een groot potentieel is voor deze elektrolyten. Ze hebben ook het extra voordeel dat ze goed blijven functioneren bij een breed temperatuurbereik, wat van bijzonder belang is voor de toepassing ervan in brandstofcellen."