科研进展丨南京工业大学扫除燃料电池商业化“拦路虎”

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固体氧化物燃料电池的商业化之路，遭遇的一个“拦路虎”就是热机械不稳定性，即电池在热循环中容易开裂、分层、破损。

近日，南京工业大学邵宗平、周嵬团队描述了一种高性能燃料电池阴极的热膨胀补偿策略，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。 相关研究成果于2021年3月10日发表在《自然》。

热循环和机理示意图，课题组供图

“热机械不稳定性，是指固体氧化物燃料电池在高温下运行时，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。”研究团队周嵬教授介绍，由于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。

为了大幅降低钴基电极的热膨胀系数，又不对氧还原反应施加负面影响，南工大教授邵宗平和周嵬团队提出用热膨胀补偿策略克服上述技术瓶颈：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、南工大博士生章远介绍，团队成员在邵宗平、周嵬教授带领下，经过近六年的反复实验摸索、接近一年时间的论文修改，才取得可喜进展。

最终，研究团队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；在经历40次热循环后，性能仅下降了8%。

周嵬介绍，优化的钙钛矿化学组成和良好的热机械稳定性，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。

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