Halbleiterprozesstechnologie im atomaren Maßstab und saubere Wasserstofftechnologie reichen sich die Hand

28.03.2024

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Festoxid-Brennstoffzellen (Solid Oxide Fuel Cells, SOFC) werden in großem Umfang für die Energiespeicherung, den Transport und verschiedene Anwendungen eingesetzt, wobei feste Elektrolyte wie Keramik verwendet werden. Die Effizienz dieser Zellen hängt von der Leistung und Stabilität ihrer Elektroden ab. Um diesen Wirkungsgrad zu erhöhen, müssen Elektroden mit einer porösen Struktur hergestellt werden. Leider ist es bei den bestehenden Technologien schwierig, eine gleichmäßige Beschichtung von keramischen Materialien in Elektroden mit komplizierten porösen Strukturen zu erreichen.

Ein gemeinsames Forschungsteam, bestehend aus Professor Jihwan An und der Doktorandin Sung Eun Jo vom Fachbereich Maschinenbau der Pohang University of Science and Technology (POSTECH) sowie Professor WooChul Jung und SungHyun Jeon vom Fachbereich Materialwissenschaft und -technik des Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), hat mit Hilfe modernster Halbleiterverfahren erfolgreich poröse Elektroden für SOFCs hergestellt. Diese Forschungsarbeit wurde kürzlich in Small Methods, einer internationalen Fachzeitschrift für Materialwissenschaften, als Backcover-Artikel veröffentlicht.

Bei dem Verfahren der Atomlagenabscheidung (ALD) werden gasförmige Materialien in dünnen, gleichmäßigen Atomlagen auf einer Substratoberfläche abgeschieden. In einer aktuellen Studie hat das Team von Professor Jihwan An, das für seine früheren Arbeiten zur Verbesserung der Effizienz von SOFCs durch ALD bekannt ist, ein Pulver-ALD-Verfahren und eine entsprechende Ausrüstung entwickelt und angewandt. Damit konnten sie präzise nanodünne Schichten auf feine Pulver auftragen.

Das Team nutzte dieses Verfahren, um ein Keramikmaterial aus Zirkoniumoxid (_ZrO2) gleichmäßig auf eine porös strukturierte Kathode (LSCF) aufzubringen. Im Gegensatz zu herkömmlichen ALD-Verfahren für Halbleiter, bei denen gasförmige Reaktanten in erster Linie an der Oberfläche poröser Strukturen adsorbiert werden und die nur begrenzt in komplexe Poren eindringen können, wandte das Team ein Atomschichtverfahren auf pulverförmige Elektrodenmaterialien an und brachte diese Materialien erfolgreich im Inneren der Struktur auf. In experimentellen Versuchen zeigten die Elektroden des Teams eine bemerkenswerte Steigerung der maximalen Leistungsdichte der Zellen um das 2,2-fache im Vergleich zu herkömmlichen Zellen, selbst in Hochtemperaturumgebungen (700-750 °C). Darüber hinaus konnte der Aktivierungswiderstand um 60 % gesenkt werden, ein Faktor, der normalerweise die Effizienz der Zellen beeinträchtigt.

Als Antwort auf dieses Problem hat das Forscherteam eine innovative Handprothese entwickelt, die auf einen Patienten zugeschnitten ist, der Daumen und Zeigefinger bei einem Autounfall verloren hat. Diese fortschrittliche Prothese funktioniert, indem sie über Sensoren Signale vom Gehirn an die Muskeln interpretiert. Im Gegensatz zu herkömmlichen Prothesen verfügt sie über ein Modul zur Rotation des Handgelenks, so dass die Patienten ihre Handgelenke uneingeschränkt bewegen können.

Professor Jihwan An, der die Forschung leitete, erklärte: "Dies bedeutet einen Durchbruch bei grünen Energiesystemen durch die Anwendung fortschrittlicher, auf Halbleiterprozessen basierender Technologie. Die ALD-Pulvertechnologie birgt ein immenses Potenzial für verschiedene Anwendungen, darunter SOFCs, Wasserstoffproduktion und Sekundärbatteriegeräte wie SOECs." Er betonte das Engagement des Teams mit den Worten: "Wir werden unsere Forschungsanstrengungen fortsetzen, um nachhaltige Lösungen für grüne Energie zu verbessern."

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Originalveröffentlichung

Sung Eun Jo, SungHyun Jeon, Hyong June Kim, Byung Chan Yang, Kyoungjae Ju, Turgut M. Gür, WooChul Jung, Jihwan An; "Simultaneous Performance and Stability Enhancement in Intermediate Temperature Solid Oxide Fuel Cells by Powder‐Atomic Layer Deposited LSCF@ZrO₂ Cathodes"; Small Methods, Volume 8, 2023-9-25

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