固體氧化物燃料電池的商業(yè)化之路，遭遇的一個(gè)“攔路虎”就是熱機(jī)械不穩(wěn)定性，即電池在熱循環(huán)中容易開裂、分層、破損。

近日，南京工業(yè)大學(xué)邵宗平、周嵬團(tuán)隊(duì)描述了一種高性能燃料電池陰極的熱膨脹補(bǔ)償策略，實(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。 相關(guān)研究成果于2021年3月10日發(fā)表在《自然》。

“熱機(jī)械不穩(wěn)定性，是指固體氧化物燃料電池在高溫下運(yùn)行時(shí)，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。”研究團(tuán)隊(duì)周嵬教授介紹，由于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。

為了大幅降低鈷基電極的熱膨脹系數(shù)，又不對氧還原反應(yīng)施加負(fù)面影響，南工大教授邵宗平和周嵬團(tuán)隊(duì)提出用熱膨脹補(bǔ)償策略克服上述技術(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。”論文第一作者、南工大博士生章遠(yuǎn)介紹，團(tuán)隊(duì)成員在邵宗平、周嵬教授帶領(lǐng)下，經(jīng)過近六年的反復(fù)實(shí)驗(yàn)摸索、接近一年時(shí)間的論文修改，才取得可喜進(jìn)展。

最終，研究團(tuán)隊(duì)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；在經(jīng)歷40次熱循環(huán)后，性能僅下降了8%。

周嵬介紹，優(yōu)化的鈣鈦礦化學(xué)組成和良好的熱機(jī)械穩(wěn)定性，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。