南京工业大学邵宗平&周嵬Nature:完美兼容！热膨胀补偿策略助力耐用，高性能燃料电池

【引言】

固体氧化物燃料电池（SOFC）作为能量转换装置的商业发展面临的一个挑战是热机械不稳定性。由于不同燃料电池组分之间的热膨胀系数（TECs）不匹配，引起的大的内部应变是造成这种不稳定的主要原因，从而可能导致电池退化、分层或断裂。其中，中温固体氧化物燃料电池SOFC的最流行的正极材料是含钴钙钛矿，在之前的研究中，为了降低钴基电极的TEC值，已经进行了相当大的努力。但是，这些策略中的大多数都可以将钴基电极的TEC值降低到合适的程度，但无法完全匹配电解质的TEC值，同时可能对氧还原反应（ORR）活性产生负面影响。

今日，南京工业大学邵宗平教授，周嵬教授团队（通讯作者）通过引入热膨胀补偿策略，以此实现阴极与其他电池构件之间热机械兼容。作者使用反应烧结将具有高电化学活性和大热膨胀系数的钴基钙钛矿与负热膨胀材料结合在一起，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。在煅烧过程中，由于复合材料中两种材料之间的反应有限，因此形成了新的界面相，这也会在钙钛矿中形成A位点缺陷，从而该复合材料显示出高活性和优异的稳定性。究其原因，作者认为降低的TEC，优化钙钛矿相以及热机械稳定性的协同作用，共同实现了SOFC复合阴极优异的电化学性能。相关研究成果以“Thermal-expansion offset for high-performance fuel cell cathodes”为题发表在Nature上。

【图文导读】

图一、c–SYNC的性质和形成机制

（a）c-SYNC复合粉末的XRD图谱及精修；

（b）c-SYNC的形成机理的示意图；

（c）煅烧前c-SYNC和“原始” SNC/YWO的Sr 3d轨道的XPS图谱；

（d）c-SYNC电极的HR TEM图像；

（e-g）YWO，SWO和SYNC相界面的HR TEM图像；

（h）f中SYNC相的[110]区域轴的SEAD模式；

（i）c-SYNC的STEM-HAADF图像；

（j）相对应的元素Sr，W映射；

（k，l）STEM图像和相应的SWO相FFT图像。

图二、c–SYNC的热膨胀行为及相应的电化学性能

（a）c-SYNC和SNC在100至800℃的空气中的热膨胀曲线；

（b）SNC，SYNC，x wt％SWO-SNC和x wt％YWO-SNC组成的TECs，质量百分比x在0到100之间变化；

（c）c-SYNC的TECs；

（d）在800、900和1000℃烧制的c-SYNC电极的极化电阻；

（e）在500、600和650℃下c-SYNC电极的阻抗谱；

（f）在600℃条件下，各种ORE材料的R_P与TEC的汇总图；

（g）基于c-SYNC和SNC的对称电池的ASR值与电极厚度的函数关系；

（h）40μm厚c-SYNC和SNC对称电池在600℃的空气中测量200小时的R_p；

（i）耐久性试验前后c-SYNC和SNC电极的EIS图。

图三、热循环和机理示意图

（a）基于SNC和c-SYNC的对称电池电极在600℃到300℃之间的40个热循环中的ASR（R_P）响应（在最低30℃ min^-1的加热速率和大约最低7.5℃ min^-1的被动冷却下90小时的总累计试验）；

（b，c）循环后SNC（b）和c-SYNC（c）对称电池的代表性EIS曲线；

（d）电池循环后横断面照片；

（e）有40μm厚c-SYNC阴极的阳极支撑的H₂/空气SOFC的I-V和I-P（I，电流密度；V，电压；P，功率密度）曲线；

（f）提出了在c-SYNC复合电极TEC补偿热机械增强的机理，并对粒子相互作用和力的分析进行了放大，对比了SNC与c-SYNC的行为。

文献链接：“Thermal-expansion offset for high-performance fuel cell cathodes”(Nature，2021，10.1038/s41586-021-03264-1)

本文由CYM供稿。