燃爆！我工再发一篇《Nature》! 创新运用“热缩冷胀”策略 突破燃料电池一大痛点难题

原创 周伟 南京工业大学

固体氧化物燃料电池（SOFC）作为一种高效的能量转换装置，是目前电池界的一位“宠儿”。但是它的商业化发展却面临着一个极大的“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。我校科研人员创新性地提出“热膨胀补偿”方案，解决了这一阻碍固氧燃料电池实用化的技术难题。2021年3月11日凌晨，这一突破性成果发表在国际顶级期刊《自然》上。

燃料电池发展中的一大痛点

——热机械不稳定性

“固体氧化物燃料电池是一种将煤、石油、天然气以及其它碳氢化合物等化石燃料中的化学能直接转换为电能的高效清洁的能源系统。与传统的火力发电系统相比，SOFCs具有高转换效率、低排放、零噪音的优势。”我校材料化学工程国家重点实验室固态离子与新能源技术团队周嵬教授介绍，但燃料电池的发展面临着一大痛点——热机械不稳定性：由于固体氧化物燃料电池需要在高温下运行，电池各组件的热膨胀系数不匹配，导致电池容易分层、破裂，难以实现产业化应用。

通对复合电极负膨胀材料和钴基钙钛矿催化颗粒界面的精细表征，发现两者之间有益的界面反应（生成SrWO4），从而形成与电解质热膨胀系数（TEC）几乎一致的复合电极材料（12.9×10-6 K-1），实现与电解质良好匹配的热膨胀性能。

针对这一难题，我校科研团队创新地提出了热膨胀补偿策略，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SOFCs商业化进程的一大技术难题。

热膨胀补偿策略

——使用“热缩冷胀”的材料

“目前燃料电池的阴极主要用含有钴的钙钛矿氧化物，这种材料的热膨胀系数非常高，远大于常用的电解质。”研究团队邵宗平教授表示，团队为此设计了“热膨胀补偿”方案，将含钴钙钛矿与一种“负热膨胀”的材料结合在一起，形成一种新型复合电极。

材料化学工程国家重点实验室固态离子与新能源技术团队邵宗平教授

“热膨胀补偿，就是用负的热膨胀去抵消正的热膨胀。”论文第一作者、我校博士章远说，“日常生活中，多数物体是热胀冷缩的，而‘负热膨胀’的材料却相反，它是‘热缩冷胀’的。”

复合电极与电解质的优异热膨胀匹配性减少了电池内部热应力导致的离子电子传导网络中微缺陷（裂纹，分层）的发育生成过程，保证电池阴极高效的电化学催化过程；复合电极经历40次热循环的性能下降仅8%。

研究团队通过固相烧结，将具有较高电化学活性和较高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。

新闻背后

——过程苦涩 结果甘甜

据了解，团队目前所获得的复合电极材料，在600℃仍表现出良好的催化活性，且单位面积电阻值低，经历40次热循环后，性能仅下降8%。“这种新型复合电极，为我们未来设计实用固体氧化物燃料电池开辟了一条新路径。”周嵬教授说。

材料化学工程国家重点实验室固态离子与新能源技术团队周嵬教授与课题组成员在一起

“这个课题，2016年底邵宗平、周嵬两位老师就带着我们开始着手研究了。”章远博士回忆，去年3月28日，团队向Nature期刊提交了研究论文。

论文第一作者、我校博士章远

千淘万漉虽辛苦，吹尽狂沙始到金！前后经历近六年的反复实验、摸索，接近一年时间的修改，文章3月11日终于在Nature网站在线刊出，“可以说过程是苦涩的，但结果是甘甜的！周老师是邵老师的首届弟子，而我也是周老师带的首届博士生。我想，这也是一种科研精神的薪火相传吧！”章远博士动情地说。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03264-1

原标题：《燃爆！我工再发一篇《Nature》! 创新运用“热缩冷胀”策略 突破燃料电池一大痛点难题》

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