固體氧化物燃料電池是一種轉(zhuǎn)換效率高、排放低、具有零噪聲優(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)提出了一種熱膨脹補(bǔ)償策略，實(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。相關(guān)成果近日發(fā)表于《自然》。
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。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，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)償策略來克服上述技術(shù)瓶頸，通過固相燒結(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，在兩者之間引發(fā)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钪兴姷奈矬w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。”論文第一作者、南京工業(yè)大學(xué)博士章遠(yuǎn)解釋道。
優(yōu)化的鈣鈦礦化學(xué)組成和良好的熱機(jī)械穩(wěn)定性，使這種復(fù)合陰極具有出色的電化學(xué)性能。該研究為未來的固體氧化物燃料電池的電極設(shè)計(jì)開辟了一條嶄新路徑。(溫才妃)
關(guān)鍵詞： 燃料電池電極設(shè)計(jì)
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