Nanostructured oxide thin films as novel ionic conductors
- Reference number
- ICA08-0009
- Start and end dates
- 100401-140331
- Amount granted
- 3 000 000 SEK
- Administrative organization
- Linköping University
- Research area
- Materials Science and Technology
Summary
The overall scope of this research is to utilize interfaces to design nanostructured thin-film zirconium oxide-based materials with optimized ionic conduction, for use as solid electrolytes in fuel cells. I will investigate and optimize the ionic conductivity of nanostructured single-phase (nanocrystalline) and two-phase (multilayers and nanocomposites) sputter-deposited thin-film model materials. These include epitaxial films of yttria- and/or scandia- stabilized zirconia (YSZ and SSZ) on magnesium oxide (MgO) and strontium titanate (STO) substrates, and YSZ/STO, YSZ/MgO multilayers and superlattices. In parallel, density functional theory (DFT) will be employed to calculate and optimize the ionic conductivity of interfaces in YSZ/STO, SSZ/STO, YSZ/MgO, and SSZ/MgO heterostructures. The ICA project is the strategic-research part of a larger initiative involving collaboration with committed industry (Topsøe Fuel Cell A/S and the Danish Technological Institute) where I am the supervisor and scientific responsible for an industrial PhD student (co-funded by the participating companies), whose project is aimed at upscaling and implementation of nanocrystalline YSZ thin films and implementation in fuel cells. The thin-film solid electrolytes from this project may enable strongly enhanced efficiency of fuel cells. Bringing this technology out of the laboratory and into mainstream applications would have major impact on all energy-consuming industries and reduce global warming.
Popular science description
Bränsleceller kommer att bli en viktig del av framtidens energisystem och hjälpa till att lindra den globala uppvärmingen, eftersom de är effektiva och miljövänliga, och kan använda nästan alla sorters bränsle (till exempel väte, etanol, biobränslen, och för den delen även fossila bränslen). De mest effektiva bränslecellerna idag använder ett oxidmaterial som s.k. elektrolyt, som är den viktigaste delen i bränslecellens design. Problemet idag är att bränslecellerna måste arbeta vid mycket hög temperatur (800 – 1000 °C) för att vara tillräckligt effektiva. Det betyder tyvärr att bränsleceller blir dyra, komplicerade och svårhanterliga. I det här projektet kommer vi att utveckla nya elektrolytmaterial med tunnfilmsteknik, vilket förhoppningsvis kan sänka arbetstemperaturen med flera hundra grader. Ett sådant framsteg skulle göra det möjligt att använda bränsleceller till vardags, exempelvis för att driva bilar, och få ett enormt kommersiellt genomslag hos all energiintensiv industri.