Tunnfilmsoxider som nya jonledningsmaterial

Diarienummer: ICA08-0009
Start- och slutdatum: 100401-140331
Beviljat belopp: 3 000 000 kr
Förvaltande organisation: Linköping University
Forskningsområde: Materialvetenskap och materialteknologier

Summary

I det här forskningsprojektet utnyttjar jag gränsyteeffekter till att designa nanostrukturerade zirkonoxidbaserade material med optimerad jonledningsförmåga, vilket är viktigt för att de ska kunna användas som elektrolyter i bränsleceller. Projektet går ut på att studera och optimera jonledningsförmåga i nanostrukturerade enfasiga (nanokristallina) och tvåfasiga (mulitlager, nanokompositer) material tillverkade med tunnfilmssyntes (sputtring). Modellsystemen är yttriumoxid- och skandiumoxidstabilserade zirkonoxider. Parallellt kommer yteffekterna i materialstrukturerna att studeras teoretiskt med DFT-metoder. ICA-projektet är den strategiska forskningdelen av ett större arbetee som också involverar industry (Dansk Teknologisk Institut och Topsoe Fuel Cell A/S) där jag är handledare och och vetenskapligt ansvarig för en industridoktorand, vars projekt är inriktat på att skala upp och implementera beläggningsprocessen för nanokristallina yttriumoxidstabiliserade zirkonoxider. Tunnfilmselektrolyterna vi utvecklar i det här projektet har potential att radikalt öka verkningsgraden och/eller reducera arbetstemperaturen hos bränsleceller. Att få ut den här teknologin ur labbet och in i vardagstillämpningar skulle ha ett stort kommersiellt genomslag hos den energiintensiva industrin och hjälpa till att minska den globala uppvärmningen.

Populärvetenskaplig beskrivning

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.