Wissenschaftler haben eine lange geltende Regel der Materialwissenschaft gebrochen, indem sie ein Keramikmaterial für Brennstoffzellen bei 1.300 °C backten und dann in flüssigem Stickstoff schockfroren – das ebnet den Weg zu günstigeren Brennstoffzellen, die bei niedrigeren Temperaturen arbeiten.
Der Trick, beschrieben in Science Advances von einem Team unter der Leitung von Chonglin Chen (UT San Antonio) mit dem Erstautor Shengli Pang (Jiangsu University), ist eine Technik aus der Stahlherstellung: das Abschrecken. Das Eintauchen der glühenden Keramik in flüssigen Stickstoff bei etwa −196 °C zersplittert ihre starre Struktur in mikroskopische Cluster aus ungeordneten Atomen von nur 0,63 Nanometern Dicke – Tausende davon passen in die Breite eines menschlichen Haares.
Herkömmliche Festoxid-Brennstoffzellen benötigen extreme Temperaturen, oft über 700 °C, um Sauerstoffionen durch ein perfektes Kristallgitter zu bewegen. Diese Hitze macht sie teuer, empfindlich und langsam startend. Bei 400 °C erreichten die ungeordneten Cluster des Teams eine Rekord-Sauerstoffionenleitfähigkeit – etwa 1.400-mal höher als bei herkömmlicher Keramik.
„Die goldene Regel war, dass man für schnelle Ionenbewegung ein perfektes Kristallgitter braucht. Was wir hier gemacht haben, stellt diese Annahme in Frage“, sagt Chen. Statt geordneter Bahnen bilden die winzigen Cluster ein chaotisches, dynamisches Netzwerk unabhängiger Sauerstoffleerstellen, das wie eine Autobahn für Ionen wirkt.
In echten Brennstoffzellen verdreifachte bereits die Beimischung von nur 0,5 Gewichtsprozent des Materials zu einer Standard-Kobalt-Kathode die Spitzenleistung. Sie verlangsamte auch die Degradation: Standardzellen verlieren alle 100 Stunden mehr als 13 % ihrer Leistung, während die verbesserten Zellen mit fortdauernder Nutzung 3,4 % stabiler und effizienter wurden.
Da der Zusatzstoff mit bestehenden Designs funktioniert, könnte die Industrie ihn laut dem Team ohne kompletten Neubau übernehmen – ein Schritt näher zu Festoxid-Brennstoffzellen bei niedrigen Temperaturen und der sauberen Energie, die sie versprechen.
