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熱膨脹補(bǔ)償效應(yīng)為電池電極設(shè)計(jì)開辟了一條嶄新路徑

中科院長春光機(jī)所 ? 來源:中國科學(xué)報(bào) ? 作者:中國科學(xué)報(bào) ? 2021-03-19 15:05 ? 次閱讀
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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)牟呗裕瑢?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》雜志上。

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)而不對氧還原反應(yīng)施加負(fù)面影響甚至帶來正面作用,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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?!闭撐牡谝蛔髡摺⒛暇┕I(yè)大學(xué)博士章遠(yuǎn)解釋道。最終,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0.041Ω/cm2(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。
編輯:lyn

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原文標(biāo)題:“熱縮冷脹”開辟燃料電池電極設(shè)計(jì)新路徑

文章出處:【微信號:cas-ciomp,微信公眾號:中科院長春光機(jī)所】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

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