由于復合材料中兩種材料之間的反應有限，因此形成了新的界面相，這也會在鈣鈦礦中形成A位點缺陷，從而該復合材料顯示出高活性和優(yōu)異的穩(wěn)定性。究其原因，作者認為降低的TEC，優(yōu)化鈣鈦礦相以及熱機械穩(wěn)定性的協(xié)同作用，共同實現(xiàn)了SOFC復合陰極優(yōu)異的電化學性能。
固體氧化物燃料電池（SOFC）作為能量轉換裝置的商業(yè)發(fā)展面臨的一個挑戰(zhàn)是熱機械不穩(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)部應變是造成這種不穩(wěn)定的主要原因，從而可能導致電池退化、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)進行了相當大的努力。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（ORR）活性產(chǎn)生負面影響。今日，南京工業(yè)大學邵宗平教授，周嵬教授團隊（通訊作者）通過引入熱膨脹補償策略，以此實現(xiàn)陰極與其他電池構件之間熱機械兼容。作者使用反應燒結將具有高電化學活性和大熱膨脹系數(shù)的鈷基鈣鈦礦與負熱膨脹材料結合在一起，從而形成具有與電解質(zhì)良好匹配的熱膨脹性能的復合電極。在煅燒過程中，由于復合材料中兩種材料之間的反應有限，因此形成了新的界面相，這也會在鈣鈦礦中形成A位點缺陷，從而該復合材料顯示出高活性和優(yōu)異的穩(wěn)定性。究其原因，作者認為降低的TEC，優(yōu)化鈣鈦礦相以及熱機械穩(wěn)定性的協(xié)同作用，共同實現(xiàn)了SOFC復合陰極優(yōu)異的電化學性能。相關研究成果以“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)和形成機制
（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圖像和相應的SWO相FFT圖像。
（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（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）；（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復合電極TEC補償熱機械增強的機理，并對粒子相互作用和力的分析進行了放大，對比了SNC與c-SYNC的行為。 文章轉載自微信公眾號：材料人
