Электрод кислорода средней энтропии обеспечивает высокую производительность и устойчивость к загрязнениям в обратимых твердотельных ячейках

Чище энергия благодаря более прочному электроду

Современным обществам нужны способы хранить и подавать чистую энергию круглосуточно, а не только когда дует ветер или светит солнце. Обратимые твердотельные ячейки (Re-SOC) — перспективные устройства, которые могут как вырабатывать электричество, так и накапливать энергию, но один из их ключевых компонентов — электрод кислорода — склонен ухудшать свои свойства при реальной эксплуатации в загрязнённом воздухе. В этом исследовании предложен новый материал электрода кислорода «средней энтропии», который сохраняет высокую эффективность даже в суровых условиях с присутствием хрома, приближая Re-SOC к практическому промышленному применению.

Почему гибкие керамические батареи важны

Re-SOC представляют собой высокотемпературные керамические устройства, способные менять режим работы. В режиме топливного элемента они превращают топливо, например водород, в электричество; в режиме электролиза они используют электричество для разложения воды или других молекул, храня энергию в химической форме. Эта двойная способность делает их привлекательными для стабилизации сетей с возобновляемыми источниками, сглаживания пиков спроса и заполнения провалов при низкой генерации. Однако электрод кислорода, которому приходится «дышать» атмосферой и обеспечивать быстрые кислородные реакции, часто становится узким местом — особенно при промежуточных температурах, выгодных с точки зрения эффективности и долговечности.

Как примеси в воздухе незаметно отравляют ячейки

Внутри стека Re-SOC металлические соединители при нагреве постепенно выделяют газообразные соединения хрома. Эти хромовые частицы перемещаются по каналам воздуха и взаимодействуют с компонентами, которые естественным образом мигрируют на поверхность многих кислородных электродов, образуя электрически слабо проводящие корки. Со временем такие корки покрывают поверхность электрода и даже позволяют хрому проникать в его кристаллическую сетку. Итог ясен и вредоносен: электрические пути блокируются, проникновение кислорода усложняется, и способность устройства вырабатывать или хранить энергию падает значительно быстрее, чем хотелось бы конструкторам.

Новая смесь металлов для более прочного электрода

Исследователи подошли к проблеме, разработав сложный оксид с несколькими различными металлами, смешанными на атомном уровне: празеодим, барий, стронций, кальций и кобальт, расположенные в перовскитной структуре. Такая композиция «средней энтропии» спроектирована так, чтобы беспорядок между разными ионами металлов стабилизировал структуру при высоких температурах и препятствовал вредной сегрегации поверхностных видов, притягивающих хром. Детальные микроскопические и спектроскопические исследования показывают, что у материала много доступных поверхностных сайтов, где кислород быстро обменивается, высокая электрическая проводимость и быстрый транспорт кислорода через объем — ключевые свойства для высокой эффективности как в генерации электричества, так и в электролизе.

Испытание нового электрода

Когда команда собрала полноценные Re-SOC с их новым электродом кислорода, выяснилось, что он обеспечивает очень высокую выходную мощность в режиме топливного элемента, даже сопоставимую или превосходящую многие из лучших материалов, протестированных в более чистых условиях. Существенно, что производительность оставалась впечатляющей, когда воздух намеренно загрязняли парами хрома и водой, имитируя реалистичные условия эксплуатации. В режиме электролиза те же ячейки обеспечивали большие токи при расщеплении пара, также при воздействии хрома, и продолжали работать стабильно в течение многих часов. Исследователи даже многократно переключали устройства между режимами топливного элемента и электролиза в течение 100 часов и 25 полных циклов, при этом новый электрод сохранял работоспособность несмотря на непрерывное загрязнение.

Почему этот электрод устойчив к отравлению

Чтобы понять причину высокой толерантности новых материалов, авторы сравнили их с близким по составу, но менее сложным электродом. Они обнаружили, что на традиционном материале соединения, богатые хромом, накапливались сильнее на поверхности и проникали глубже в пористую сетку, закупоривая каналы, необходимые для движения кислорода. Напротив, электрод средней энтропии демонстрировал гораздо меньше отложений хрома и значительно более мелкое проникновение, сохраняя открытые каналы для газового потока и переноса заряда. Измерения скоростей обмена кислорода и электрической проводимости во времени подтвердили, что новый материал деградирует медленнее, связывая его устойчивость к хрому с физической и химической прочностью.

Что это значит для будущих энергетических систем

Проще говоря, исследование показывает, что путем тщательного смешения нескольких элементов в одну слегка упорядоченную кристаллическую фазу можно создать электрод кислорода, который сохраняет работоспособность в «грязном» высокотемпературном воздухе, где обычные материалы выходят из строя. Этот более прочный, высокопроизводительный электрод помогает Re-SOC обеспечивать и сильную мощность, и надёжную длительную работу в присутствии трудноизбежных в практических устройствах примесей хрома. По мере того как энергетические системы всё больше зависят от гибких и высокоэффективных технологий для балансировки возобновляемой энергии, такие материалы, устойчивые к загрязнениям, могут сыграть центральную роль в том, чтобы керамические преобразователи энергии стали достаточно надёжными для широкого коммерческого применения.

Цитирование: 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

Ключевые слова: обратимые твердотельные ячейки, электрод кислорода, отравление хромом, оксиды высокой энтропии, хранение чистой энергии