復合電極材料c-SYNC的性質和形成機理

　　熱循環(huán)和機理示意圖

　　固體氧化物燃料電池是一種轉換效率高、排放低、具有零噪聲優(yōu)勢的能量轉換裝置，但它的商業(yè)化發(fā)展面臨一個“攔路虎”：熱機械不穩(wěn)定性——電池在熱循環(huán)中容易開裂、分層、破損。對此，南京工業(yè)大學固態(tài)離子與新能源技術團隊提出了一種熱膨脹補償策略，實現(xiàn)了燃料電池陰極與其他電池組件之間的完全熱機械兼容，從而解決了阻礙固體氧化物燃料電池商業(yè)化進程的一大技術難題。相關成果近日發(fā)表于《自然》。

　　固體氧化物燃料電池需要在高溫下運行，而燃料電池不同組件之間的熱膨脹行為不匹配，會引起較大的內(nèi)部應變梯度——在不同的位置應力不一樣，導致電池退化、分層或破裂。南京工業(yè)大學教授周嵬介紹，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，遠遠大于常用的電解質，導致熱機械不兼容。

　　鑒于此，南京工業(yè)大學教授邵宗平和周嵬團隊設計了熱膨脹補償策略來克服上述技術瓶頸，通過固相燒結將具有高電化學活性和熱膨脹系數(shù)的鈷基鈣鈦礦與負熱膨脹材料（Y2W3O12氧化物）結合，在兩者之間引發(fā)有益的界面反應，從而形成具有與電解質良好匹配的熱膨脹性能的復合電極。

　　“熱膨脹補償策略是指用負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)大學博士章遠解釋道。

　　優(yōu)化的鈣鈦礦化學組成和良好的熱機械穩(wěn)定性，使這種復合陰極具有出色的電化學性能。該研究為未來的固體氧化物燃料電池的電極設計開辟了一條嶄新路徑。

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