Wyzwania wysokich temperatur

Wśród przewodników jonów tlenu na szczególną uwagę zasługują te oparte na tlenku bizmutu, Bi2O3. Jedna z odmian tego związku – faza d – jest najlepszym znanym stałym przewodnikiem jonów tlenu, a z tego powodu – bardzo poważnym kandydatem na elektrolit w wysokotemperaturowych ogniwach paliwowych.

Ogniwa paliwowe znajdują zastosowanie m.in. w samochodach elektrycznych. W wyniku reakcji wodoru z tlenem w takim ogniwie produkowana jest energia elektryczna, a jedyną spaliną jest czysta woda. Niestety, aby uzyskać fazę d-Bi2O3, konieczne jest podgrzanie tlenku bizmutu do temperatur z przedziału 730–825 °C. Prace badawcze nad materiałami opartymi na Bi2O3 dotyczą mechanizmów przewodnictwa jonowego i ich związków ze strukturą krystaliczną (sposobem ułożenia atomów) materiału. Ponadto poszukiwane są sposoby rozszerzania w stronę niższych temperatur zakresu stabilności fazy d i jej pochodnych. Można to zrobić m.in. poprzez tworzenie związków tlenku bizmutu z wanadem i innym metalem (np. miedzią, magnezem) lub kontrolowaną krystalizację szkieł bizmutowych, prowadzącą do wytrącania się nanoziaren krystalicznej fazy typu d, stabilnej nawet w temperaturze pokojowej.

W ostatnim czasie badania doświadczalne zostały uzupełnione o symulacje komputerowe materiałów i zjawisk transportu jonów i elektronów za pomocą zaawansowanych metod dynamiki molekularnej (MD) i metod ab initio.

Oprócz badań nowych materiałów elektrolitycznych i elektrodowych, w Zakładzie Joniki Ciała Stałego prowadzone są m.in. pomiary  gotowych ogniw Li-ion i prace nad modelowaniem zjawisk zużycia i degradacji takich ogniw.