Las celdas de electrólisis de óxido sólido (SOEC), una tecnología clave para la producción de hidrógeno verde sin emisiones de carbono, requieren un proceso de sinterización a alta temperatura para endurecer los polvos cerámicos. Investigadores del KAIST han logrado acortar este proceso de seis horas a tan solo diez minutos, reduciendo además la temperatura necesaria de 1400 °C a 1200 °C. Esta innovación reduce drásticamente tanto el consumo de energía como el tiempo de producción, lo que supone un importante avance para la era del hidrógeno verde.
KAIST (Presidente Kwang Hyung Lee) anunció el 25 de octubre que un equipo de investigación liderado por el Profesor Kang Taek Lee del Departamento de Ingeniería Mecánica ha desarrollado un método de fabricación ultrarrápido capaz de producir celdas de electrólisis de hidrógeno verde de alto rendimiento en tan solo diez minutos.
La base de esta tecnología reside en la sinterización, un proceso en el que los polvos cerámicos se hornean a altas temperaturas para formar una estructura densa y compacta. Una sinterización adecuada es fundamental: garantiza que no haya fugas de gases (ya que la mezcla de hidrógeno y oxígeno podría provocar explosiones), que los iones de oxígeno se muevan con eficiencia y que los electrodos se adhieran firmemente al electrolito para permitir un flujo de corriente uniforme. En resumen, la precisión del proceso de sinterización determina directamente el rendimiento y la vida útil de la celda.
Para abordar estos desafíos, el equipo de KAIST aplicó una técnica de calentamiento volumétrico que utiliza microondas para calentar el material de manera uniforme desde el interior hacia el exterior. Este método redujo el tiempo de sinterización más de treinta veces en comparación con los métodos convencionales. Mientras que la sinterización tradicional requiere un calentamiento prolongado a temperaturas superiores a 1400 °C, el nuevo proceso utiliza microondas para calentar el material de forma interna y uniforme, logrando la formación de un electrolito estable a tan solo 1200 °C en 10 minutos.
En la fabricación convencional, los materiales esenciales —ceria (CeO₂) y zirconia (ZrO₂)— tienden a mezclarse a temperaturas excesivamente altas, lo que degrada la calidad del material. El nuevo método de KAIST permite que estos dos materiales se unan firmemente a la temperatura adecuada sin mezclarse, produciendo un electrolito bicapa denso y sin defectos.
El tiempo total de procesamiento incluye el calentamiento, el mantenimiento de la temperatura y el enfriamiento. El proceso de sinterización convencional requería aproximadamente 36,5 horas, mientras que la técnica de KAIST basada en microondas completa el ciclo completo en tan solo 70 minutos, es decir, más de 30 veces más rápido.
Figura 1. (a) Ilustración esquemática del proceso de sinterización ultrarrápida basado en microondas y del proceso de sinterización convencional. (b) Imágenes SEM de la sección transversal del electrolito cerámico bicapa según el proceso de sinterización.
Las celdas electroquímicas resultantes demostraron un rendimiento excepcional: produjeron 23,7 mL de hidrógeno por minuto a 750 °C, mantuvieron un funcionamiento estable durante más de 250 horas y exhibieron una excelente durabilidad. Mediante simulaciones de gemelos digitales 3D, el equipo reveló además que el calentamiento ultrarrápido por microondas mejora la densidad del electrolito y suprime el crecimiento anormal de los granos de óxido de níquel (NiO) dentro del electrodo de combustible, lo que incrementa la eficiencia de la producción de hidrógeno.
<Figura 2. Reconstrucción 3D, área de contacto e imágenes de sitios electroquímicamente activos de la celda electroquímica de óxido sólido según el proceso de sinterización>
El profesor Kang Taek Lee afirmó: «Esta investigación introduce un nuevo paradigma de fabricación que permite la producción rápida y eficiente de celdas de electrólisis de óxido sólido de alto rendimiento». Añadió: «En comparación con los procesos convencionales, nuestro enfoque reduce drásticamente tanto el consumo de energía como el tiempo de producción, lo que ofrece un gran potencial para su comercialización».
Este estudio fue co-autoría principal de Hyeongmin Yu y Seungsoo Jang, ambos candidatos a doctorado en Ingeniería Mecánica en KAIST, con la colaboración de Donghun Lee y Gayoung Youn. La investigación se publicó en línea el 2 de octubre en Advanced Materials (Factor de Impacto: 26.8) y fue seleccionada como artículo destacado en la portada interior por su relevancia científica. ※ Título del artículo: «Electrolitos bicapa de ceria/zirconia sin defectos, diseñados mediante calentamiento volumétrico ultrarrápido asistido por microondas para celdas electroquímicas de óxido sólido», DOI:
10.1002/ adma.202500183
Este trabajo fue financiado por el Ministerio de Ciencia y TIC a través del Programa H2 Next Round, el Programa para Investigadores de Carrera Intermedia y el Programa de Laboratorios de Investigación Global (GRL).
KAIST News. Traducido al español
