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復合電極材料c-SYNC的性質和形成機理

熱循環和機理示意圖

固體氧化物燃料電池是一種具有高轉換效率、低排放、零噪音優勢的能量轉換裝置，但它的商業化發展面臨一個“攔路虎”：熱機械不穩定性——電池在熱循環中容易開裂、分層、破損。對此，南京工業大學固態離子與新能源技術團隊創新地提出了一種熱膨脹補償的策略，實現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化進程的一大技術難題。3月10日，這一突破性成果以《熱膨脹補償效應在高性能燃料電池陰極材料的應用》為題刊登于《自然》上。

熱機械不穩定性是指由于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。據南京工業大學教授周嵬介紹，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，它們的熱膨脹系數非常高，遠遠大于常用的電解質，導致熱機械不兼容。

鑒于此，為了大幅度降低鈷基電極的熱膨脹系數而不對氧還原反應施加負面影響甚至帶來正面作用，南京工業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的鈷基鈣鈦礦與負熱膨脹材料（Y2W3O12氧化物）結合在一起，在兩者之間引發了有益的界面反應，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。我們日常生活中所見的物體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、南京工業大學博士章遠解釋道。結果，所獲得的復合電極材料顯示出良好的電化學性能和出色的熱機械穩定性。具體而言，在600 ℃下，復合電極具有良好的催化活性，單位面積電阻值低至0.041 Ωcm2（電阻值越低則催化活性越好）；在經歷40次熱循環后，性能僅下降了8%。

優化的鈣鈦礦化學組成和良好的熱機械穩定性，這些優點共同促進了這種復合陰極的出色電化學性能，并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

2021年3月13日《中國科學報》頭版：http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2021/3/454498.shtm