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復(fù)合電極材料c-SYNC的性質(zhì)和形成機(jī)理

熱循環(huán)和機(jī)理示意圖

固體氧化物燃料電池是一種具有高轉(zhuǎn)換效率、低排放、零噪音優(yōu)勢(shì)的能量轉(zhuǎn)換裝置，但它的商業(yè)化發(fā)展面臨一個(gè)“攔路虎”：熱機(jī)械不穩(wěn)定性——電池在熱循環(huán)中容易開(kāi)裂、分層、破損。對(duì)此，南京工業(yè)大學(xué)固態(tài)離子與新能源技術(shù)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新地提出了一種熱膨脹補(bǔ)償?shù)牟呗?，?shí)現(xiàn)了燃料電池陰極與其他電池組件之間的完全熱機(jī)械兼容，從而解決了阻礙固體氧化物燃料電池商業(yè)化進(jìn)程的一大技術(shù)難題。3月10日，這一突破性成果以《熱膨脹補(bǔ)償效應(yīng)在高性能燃料電池陰極材料的應(yīng)用》為題刊登于《自然》上。

熱機(jī)械不穩(wěn)定性是指由于固體氧化物燃料電池需要在高溫下運(yùn)行，而燃料電池不同組件之間的熱膨脹行為不匹配，會(huì)引起較大的內(nèi)部應(yīng)變梯度——在不同的位置應(yīng)力不一樣，導(dǎo)致電池退化、分層或破裂。據(jù)南京工業(yè)大學(xué)教授周嵬介紹，由于具有出色的氧化還原催化活性和高電導(dǎo)率，燃料電池最受歡迎的陰極材料是含鈷的鈣鈦礦氧化物，然而鈷基鈣鈦礦陰極的問(wèn)題在于，它們的熱膨脹系數(shù)非常高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常用的電解質(zhì)，導(dǎo)致熱機(jī)械不兼容。

鑒于此，為了大幅度降低鈷基電極的熱膨脹系數(shù)而不對(duì)氧還原反應(yīng)施加負(fù)面影響甚至帶來(lái)正面作用，南京工業(yè)大學(xué)教授邵宗平和周嵬團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了熱膨脹補(bǔ)償策略來(lái)克服上述技術(shù)瓶頸：通過(guò)固相燒結(jié)將具有高電化學(xué)活性和熱膨脹系數(shù)的鈷基鈣鈦礦與負(fù)熱膨脹材料（Y2W3O12氧化物）結(jié)合在一起，在兩者之間引發(fā)了有益的界面反應(yīng)，從而形成具有與電解質(zhì)良好匹配的熱膨脹性能的復(fù)合電極。

“熱膨脹補(bǔ)償策略是指用負(fù)的熱膨脹去抵消正的熱膨脹。我們?nèi)粘Ｉ钪兴?jiàn)的物體一般都是熱脹冷縮的，而所謂負(fù)熱膨脹材料卻正好相反，它是‘熱縮冷脹’的?！闭撐牡谝蛔髡?、南京工業(yè)大學(xué)博士章遠(yuǎn)解釋道。結(jié)果，所獲得的復(fù)合電極材料顯示出良好的電化學(xué)性能和出色的熱機(jī)械穩(wěn)定性。具體而言，在600 ℃下，復(fù)合電極具有良好的催化活性，單位面積電阻值低至0.041 Ωcm2（電阻值越低則催化活性越好）；在經(jīng)歷40次熱循環(huán)后，性能僅下降了8%。

優(yōu)化的鈣鈦礦化學(xué)組成和良好的熱機(jī)械穩(wěn)定性，這些優(yōu)點(diǎn)共同促進(jìn)了這種復(fù)合陰極的出色電化學(xué)性能，并為未來(lái)的固體氧化物燃料電池的電極設(shè)計(jì)開(kāi)辟了一條嶄新路徑。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-021-03264-1

2021年3月13日《中國(guó)科學(xué)報(bào)》頭版：http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2021/3/454498.shtm