Eine Sauerstoff-Elektrode mittlerer Entropie ermöglicht leistungsstarke und kontaminationsresistente reversible Festoxid-Zellen

Sauberere Energie mit einer widerstandsfähigeren Elektrode

Moderne Gesellschaften benötigen Möglichkeiten, saubere Energie rund um die Uhr zu speichern und bereitzustellen, nicht nur dann, wenn Wind weht oder die Sonne scheint. Reversible Festoxid-Zellen (Re-SOCs) sind vielversprechende Geräte, die sowohl Strom erzeugen als auch Energie speichern können. Einer ihrer wichtigsten Bauteile – die Sauerstoff-Elektrode – schwächt sich jedoch in realer, kontaminierter Luft oft ab. Diese Studie stellt ein neues Sauerstoff-Elektrodenmaterial mit „mittlerer Entropie“ vor, das auch unter harten, chrombelasteten Bedingungen effizient arbeitet und Re-SOCs einem praktischen, großtechnischen Einsatz näherbringt.

Warum flexible Keramikbatterien wichtig sind

Re-SOCs sind keramische Hochtemperaturgeräte, die die Rolle wechseln können. Im Brennstoffzellenmodus wandeln sie Brennstoffe wie Wasserstoff in Strom um; im Elektrolysemodus nutzen sie Strom, um Wasser oder andere Moleküle zu spalten und so Energie chemisch zu speichern. Diese Doppelrolle macht sie attraktiv, um Netze mit erneuerbaren Quellen zu stabilisieren, Lastspitzen abzuflachen und Versorgungslücken bei geringer Erzeugung zu füllen. Die Sauerstoff-Elektrode, die Luft aufnehmen und schnelle Sauerstoffreaktionen bewältigen muss, wird jedoch häufig zur Schwachstelle – besonders bei den mittleren Temperaturen, die für Effizienz und Haltbarkeit bevorzugt werden.

Wie Luftverunreinigungen Zellen still und leise vergiften

In einem Re-SOC-Stack geben metallische Verbindungen in den Anschlussstücken beim Erhitzen langsam gasförmige Chromverbindungen ab. Diese Chromspezies wandern durch die Luftkanäle und reagieren mit Bestandteilen, die natürlicherweise an die Oberfläche vieler Sauerstoff-Elektroden wandern, und bilden elektrisch träge Krusten. Mit der Zeit überziehen diese Krusten die Elektrodenoberfläche und lassen sogar Chrom in das Kristallgitter eindringen. Das Ergebnis ist simpel, aber schädlich: elektrische Pfade werden blockiert, Sauerstoff kann schwerer ein- und austreten, und die Fähigkeit des Geräts, Energie zu erzeugen oder zu speichern, nimmt deutlich schneller ab als erwünscht.

Eine neue Metallmischung für robustere Elektroden

Die Forschenden begegneten diesem Problem, indem sie ein komplexes Oxid entwarfen, in dem mehrere Metall-Elemente auf atomarer Ebene gemischt sind: Praseodym, Barium, Strontium, Calcium und Kobalt in einer Perowskitstruktur. Diese Zusammensetzung mittlerer Entropie ist so ausgelegt, dass die Unordnung zwischen den verschiedenen Metallionen die Struktur bei hohen Temperaturen stabilisiert und schädliche Oberflächensegregationen, die Chrom anziehen, unterbindet. Detaillierte mikroskopische und spektroskopische Untersuchungen zeigen, dass das Material zahlreiche Oberflächenstellen bietet, an denen Sauerstoff schnell austauschen kann, hohe elektrische Leitfähigkeit besitzt und schnellen Sauerstofftransport durch das Volumen ermöglicht – entscheidende Eigenschaften für starke Leistung sowohl bei der Stromerzeugung als auch bei der Elektrolyse.

Erprobung der neuen Elektrode

Als das Team vollständige Re-SOC-Geräte mit ihrer neuen Sauerstoff-Elektrode baute, stellten sie fest, dass diese im Brennstoffzellenmodus sehr hohe Leistungsdichten lieferte und viele der besten bisher berichteten Materialien unter sauberen Bedingungen erreichte oder übertraf. Entscheidend war, dass die Leistung auch dann beeindruckend blieb, wenn die Luft absichtlich mit Chromdampf und Wasser verunreinigt wurde, um realistische Betriebsbedingungen zu simulieren. Im Elektrolysemodus führten die gleichen Zellen große Ströme beim Spalten von Dampf, ebenfalls unter Chromexposition, und sie liefen über viele Stunden stabil. Die Forschenden wechselten die Geräte sogar wiederholt zwischen Brennstoffzellen- und Elektrolysebetrieb für 100 Stunden und 25 vollständige Zyklen; die neue Elektrode behielt dabei ihre Funktion trotz fortlaufender Kontamination bei.

Warum diese Elektrode gegen Vergiftung resistent ist

Um zu verstehen, warum das neue Material so tolerant ist, verglichen die Autorinnen und Autoren es mit einer eng verwandten, aber weniger komplexen Elektrode. Sie fanden heraus, dass sich auf dem konventionellen Material chromreiche Verbindungen stärker anreicherten und tiefer in das poröse Netzwerk eindrangen, wodurch für den Sauerstofftransport notwendige Wege verstopft wurden. Im Vergleich dazu zeigte die Elektrode mittlerer Entropie deutlich weniger Chromablagerungen und viel geringere Eindringtiefe, wodurch offene Kanäle für Gasfluss und Ladungstransport erhalten blieben. Messungen der Sauerstoffaustauschraten und der elektrischen Leitfähigkeit über die Zeit bestätigten, dass das neue Material langsamer degradierte und seine Chromresistenz direkt mit seiner physikalischen und chemischen Widerstandsfähigkeit verknüpft ist.

Was das für zukünftige Energiesysteme bedeutet

Alltagssprachlich zeigt die Studie, dass sich durch die sorgfältige Mischung mehrerer Elemente zu einem einzelnen, leicht ungeordneten Kristall eine Sauerstoff-Elektrode bauen lässt, die in verschmutzter, hochtemperierter Luft funktioniert, wo gewöhnliche Materialien versagen. Diese robustere, leistungsfähige Elektrode hilft Re-SOCs, sowohl hohe Leistung als auch zuverlässigen Langzeitbetrieb trotz schwer vermeidbarer Chromverunreinigungen zu liefern. Da Energiesysteme zunehmend auf flexible, hocheffiziente Technologien zur Ausbalancierung erneuerbarer Energiequellen angewiesen sind, könnten solche kontaminationsresistenten Materialien eine zentrale Rolle dabei spielen, keramische Energiewandler zuverlässig genug für einen breiten kommerziellen Einsatz zu machen.

Zitation: Zhu, F., Xu, K., Liao, Y. et al. A medium-entropy oxygen electrode enables high-performance and contaminant-tolerant reversible solid oxide cells. Nat Commun 17, 2617 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69338-8

Schlüsselwörter: reversible Festoxid-Zellen, Sauerstoff-Elektrode, Chrom-Vergiftung, Hochentropie-Oxide, saubere Energiespeicherung