由于復(fù)合材料中兩種材料之間的反應(yīng)有限，因此形成了新的界面相，這也會在鈣鈦礦中形成A位點(diǎn)缺陷，從而該復(fù)合材料顯示出高活性和優(yōu)異的穩(wěn)定性。究其原因，作者認(rèn)為降低的TEC，優(yōu)化鈣鈦礦相以及熱機(jī)械穩(wěn)定性的協(xié)同作用，共同實(shí)現(xiàn)了SOFC復(fù)合陰極優(yōu)異的電化學(xué)性能。
固體氧化物燃料電池（SOFC）作為能量轉(zhuǎn)換裝置的商業(yè)發(fā)展面臨的一個挑戰(zhàn)是熱機(jī)械不穩(wěn)定性。由于不同燃料電池組分之間的熱膨脹系數(shù)（TECs）不匹配，引起的大的內(nèi)部應(yīng)變是造成這種不穩(wěn)定的主要原因，從而可能導(dǎo)致電池退化、分層或斷裂。其中，中溫固體氧化物燃料電池SOFC的最流行的正極材料是含鈷鈣鈦礦，在之前的研究中，為了降低鈷基電極的TEC值，已經(jīng)進(jìn)行了相當(dāng)大的努力。但是，這些策略中的大多數(shù)都可以將鈷基電極的TEC值降低到合適的程度，但無法完全匹配電解質(zhì)的TEC值，同時可能對氧還原反應(yīng)（ORR）活性產(chǎn)生負(fù)面影響。今日，南京工業(yè)大學(xué)邵宗平教授，周嵬教授團(tuán)隊（通訊作者）通過引入熱膨脹補(bǔ)償策略，以此實(shí)現(xiàn)陰極與其他電池構(gòu)件之間熱機(jī)械兼容。作者使用反應(yīng)燒結(jié)將具有高電化學(xué)活性和大熱膨脹系數(shù)的鈷基鈣鈦礦與負(fù)熱膨脹材料結(jié)合在一起，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。在煅燒過程中，由于復(fù)合材料中兩種材料之間的反應(yīng)有限，因此形成了新的界面相，這也會在鈣鈦礦中形成A位點(diǎn)缺陷，從而該復(fù)合材料顯示出高活性和優(yōu)異的穩(wěn)定性。究其原因，作者認(rèn)為降低的TEC，優(yōu)化鈣鈦礦相以及熱機(jī)械穩(wěn)定性的協(xié)同作用，共同實(shí)現(xiàn)了SOFC復(fù)合陰極優(yōu)異的電化學(xué)性能。相關(guān)研究成果以“Thermal-expansion offset for high-performance fuel cell cathodes”為題發(fā)表在Nature上。
圖一、c-SYNC的性質(zhì)和形成機(jī)制
（a）c-SYNC復(fù)合粉末的XRD圖譜及精修；（c）煅燒前c-SYNC和“原始” SNC/YWO的Sr 3d軌道的XPS圖譜；（e-g）YWO，SWO和SYNC相界面的HR TEM圖像；（h）f中SYNC相的[110]區(qū)域軸的SEAD模式；（k，l）STEM圖像和相應(yīng)的SWO相FFT圖像。圖二、c-SYNC的熱膨脹行為及相應(yīng)的電化學(xué)性能
（a）c-SYNC和SNC在100至800℃的空氣中的熱膨脹曲線；（b）SNC，SYNC，x wt％SWO-SNC和x wt％YWO-SNC組成的TECs，質(zhì)量百分比x在0到100之間變化；（d）在800、900和1000℃燒制的c-SYNC電極的極化電阻；（e）在500、600和650℃下c-SYNC電極的阻抗譜；（f）在600℃條件下，各種ORE材料的RP與TEC的匯總圖；（g）基于c-SYNC和SNC的對稱電池的ASR值與電極厚度的函數(shù)關(guān)系；（h）40μm厚c-SYNC和SNC對稱電池在600℃的空氣中測量200小時的Rp；（i）耐久性試驗(yàn)前后c-SYNC和SNC電極的EIS圖。
（a）基于SNC和c-SYNC的對稱電池電極在600℃到300℃之間的40個熱循環(huán)中的ASR（RP）響應(yīng)（在最低30℃ min-1的加熱速率和大約最低7.5℃ min-1的被動冷卻下90小時的總累計試驗(yàn)）；（b，c）循環(huán)后SNC（b）和c-SYNC（c）對稱電池的代表性EIS曲線；（e）有40μm厚c-SYNC陰極的陽極支撐的H2/空氣SOFC的I-V和I-P（I，電流密度；V，電壓；P，功率密度）曲線；（f）提出了在c-SYNC復(fù)合電極TEC補(bǔ)償熱機(jī)械增強(qiáng)的機(jī)理，并對粒子相互作用和力的分析進(jìn)行了放大，對比了SNC與c-SYNC的行為。 文章轉(zhuǎn)載自微信公眾號：材料人
