“热缩冷胀”开辟燃料电池电极设计新路径

仙仙

固体氧化物燃料电池是一种具有高转换效率、低排放、零噪音优势的能量转换装置，但它的商业化发展面临一个“拦路虎”：热机械不稳定性——电池在热循环中容易开裂、分层、破损。对此，南京工业大学固态离子与新能源技术团队创新地提出了一种热膨胀补偿的策略，实现了燃料电池阴极与其他电池组件之间的完全热机械兼容，从而解决了阻碍固体氧化物燃料电池商业化进程的一大技术难题。3月10日，这一突破性成果以《热膨胀补偿效应在高性能燃料电池阴极材料的应用》为题刊登于《自然》杂志上。


热机械不稳定性是指由于固体氧化物燃料电池需要在高温下运行，而燃料电池不同组件之间的热膨胀行为不匹配，会引起较大的内部应变梯度——在不同的位置应力不一样，导致电池退化、分层或破裂。据南京工业大学教授周嵬介绍，由于具有出色的氧化还原催化活性和高电导率，燃料电池最受欢迎的阴极材料是含钴的钙钛矿氧化物，然而钴基钙钛矿阴极的问题在于，它们的热膨胀系数非常高，远远大于常用的电解质，导致热机械不兼容。


鉴于此，为了大幅度降低钴基电极的热膨胀系数而不对氧还原反应施加负面影响甚至带来正面作用，南京工业大学教授邵宗平和周嵬团队设计了热膨胀补偿策略来克服上述技术瓶颈：通过固相烧结将具有高电化学活性和热膨胀系数的钴基钙钛矿与负热膨胀材料结合在一起，在两者之间引发了有益的界面反应，从而形成具有与电解质良好匹配的热膨胀性能的复合电极。


“热膨胀补偿策略是指用负的热膨胀去抵消正的热膨胀。我们日常生活中所见的物体一般都是热胀冷缩的，而所谓负热膨胀材料却正好相反，它是‘热缩冷胀’的。”论文第一作者、南京工业大学博士章远解释道。最终，所获得的复合电极材料显示出良好的电化学性能和出色的热机械稳定性。具体而言，在600℃下，复合电极具有良好的催化活性，单位面积电阻值低至0.041Ω/cm2（电阻值越低则催化活性越好）；在经历40次热循环后，性能仅下降了8%。


优化的钙钛矿化学组成和良好的热机械稳定性，这些优点共同促进了这种复合阴极的出色电化学性能，并为未来的固体氧化物燃料电池的电极设计开辟了一条崭新路径。