Les cellules d’oxyde solide gyroïdales imprimées en 3D offrent des solutions énergétiques plus légères et plus compactes

Au cours des dernières décennies, les ingénieurs énergétiques ont développé une large gamme de nouvelles technologies qui pourraient alimenter les appareils électroniques, les robots et les véhicules électriques plus efficacement et de manière fiable. Il s’agit notamment des cellules d’oxyde solide (SOC), des dispositifs électrochimiques qui peuvent fonctionner dans deux modes différents, en tant que piles à combustible ou en tant qu’électrolyseurs.

Les piles à combustible sont des dispositifs qui peuvent convertir l’énergie dans des produits chimiques spécifiques en électricité via des réactions chimiques. Les électrolyseurs, en revanche, sont des technologies qui peuvent diviser l’eau (H₂O) ou d’autres molécules utilisant l’électricité, pour produire de l’hydrogène (H₂) ou d’autres produits chimiques souhaitables.

Jusqu’à présent, la plupart des SOC développés sont bidimensionnels (2D) et se composent de structures plates avec des couches empilées de matériaux différents. Cette conception 2D, cependant, limite la mesure dans laquelle les appareils peuvent être réduits en taille tout en augmentant leur poids, car il s’appuie sur des interconnexions métalliques pour permettre l’écoulement d’énergie et sceller différents composants.

Des chercheurs de l’Université technique du Danemark ont récemment conçu de nouveaux SOC tridimensionnels (3D) avec une structure de surface périodique connue sous le nom de gyroïde. Ces cellules, décrites dans un article publié dans Énergie de la naturepeut être fabriqué à l’aide de l’impression 3D, également connue sous le nom de fabrication additive.

“Il a été démontré que l’utilisation de structures gyroïdiennes dans les échangeurs de chaleur réduit le poids, améliore la compacité et augmente l’efficacité”, a déclaré à Tech Xplore, le professeur Vincenzo Esposito, auteur correspondant du journal. “Nous remplaçons le métal par une céramique conductrice d’ions, réalisant ainsi le concept 3D-SOC. Le 3D-SOC est bien adapté pour des applications qui exigent une construction, une compacité et une stabilité légères, telles que celles des industries aérospatiales et automobiles.”

Les SoC gyrodiaux monolithiques développés par le professeur Esposito et ses collègues ont trois composants principaux: un électrolyte en céramique dense, une électrode de carburant poreuse et une électrode à oxygène poreuse. Comme les autres SOC, ils peuvent fonctionner dans deux modes différents, à savoir les piles à combustible ou les électrolyseurs.

“En mode cellule à combustible (SOFC), la cellule génère de l’électricité à l’aide de gaz carburant tels que H₂, CH₄ et CO, normalement appelés X à l’alimentation”, a déclaré le professeur Esposito. “En mode électrolyse (SOEC), il produit des gaz à carburant et O₂ en électrolysant H₂o ou Co₂, appelé puissance à X.”

Pour fabriquer leurs SoC 3D, les chercheurs ont d’abord réalisé leur cadre en céramique monolithique, qui comprend un électrolyte, la structure de scellage et de soutien. Toute cette structure a été fabriquée en utilisant la technologie d’impression 3D.

Par la suite, ils ont enduit l’électrode de carburant et l’électrode d’oxygène sur les surfaces de l’électrolyte. Enfin, ils ont co-siné l’électrolyte, l’électrode de carburant et l’électrode d’oxygène, atteignant finalement un SoC gyroïde monolithique fonctionnel.

“Par rapport à la technologie conventionnelle de la pile SOC, le 3D-SOC a un processus de fabrication extrêmement simplifié”, a expliqué le Dr Zhipeng Zhou, auteur principal du journal. “Une pile de SOC conventionnelle nécessite l’intégration de nombreux composants, y compris les cellules uniques, les interconnexions métalliques et les scellants. En revanche, le SOC 3D peut être fabriqué en utilisant uniquement des processus d’impression, de revêtement et de co-indication 3D.”

Contrairement aux SOC 2D, le dispositif 3D développé par les chercheurs peut être mis à l’échelle sans avoir besoin de composants supplémentaires, ce qui réduit son poids global. De plus, la nouvelle conception de l’équipe permet un plus grand espace pour l’électrolyte, tout en minimisant la taille de la cellule et en maximisant sa compacité.

“Le 3D-SOC est flexible et pourrait être mis à l’échelle sans interconnexions métalliques”, a déclaré le Dr Zhou. “L’élimination complète des interconnexions métalliques a considérablement amélioré la stabilité du système SOC et réduit son coût.”

Les travaux récents du professeur Esposito, du Dr Zhou et de leurs collègues ouvrent de nouvelles possibilités passionnantes pour la fabrication de SOC 3D. À l’avenir, les appareils qu’ils ont conçus pourraient être améliorés davantage et déployés dans divers contextes, en particulier dans les industries aérospatiales et automobiles.

“Certains exemples incluent le programme Mars de la NASA et les avions SOFC d’Airbus (Hylena | Airbus)”, a déclaré le Dr Venkata Nadimpalli, auteur correspondant du journal. “Dans une perspective scientifique, la 3D-SOC présente des structures fondamentalement différentes par rapport aux conceptions de SOC conventionnelles. En conséquence, les conclusions tirées des SOC traditionnelles peuvent ne pas s’appliquer aux SOC 3D, en raison de leur distribution distincte de gaz et de leurs propriétés de transport de chaleur.”

Le professeur Esposito, le Dr Zhou et le Dr Nadimpalli espèrent que leur étude inspirera bientôt d’autres groupes de recherche à concevoir des SOC 3D similaires compacts, très performants et plus évolutifs.

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