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2020年3月28日，南京工業(yè)大學(xué)邵宗平團(tuán)隊(duì)聯(lián)合周嵬團(tuán)隊(duì)向Nature期刊提交了一篇研究論文。經(jīng)過(guò)接近一年時(shí)間的修改，這篇題為“Thermal-expansion offset for high-performance fuel cell cathodes”的文章最終于2021年3月10日在Nature網(wǎng)站在線刊出，實(shí)屬不易！過(guò)程是苦澀的，但結(jié)果是甘甜的！

固體氧化物燃料電池（SOFC）作為一種高效的能量轉(zhuǎn)換裝置，其商業(yè)化發(fā)展面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)是熱-機(jī)械不穩(wěn)定性。燃料電池不同組件之間熱膨脹行為的不匹配性導(dǎo)致大的內(nèi)部應(yīng)變梯度是這種不穩(wěn)定的主要原因，例如常用鈷基鈣鈦礦陰極高的熱膨脹系數(shù)（TEC）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通SOFC電解質(zhì)，這可能導(dǎo)致電池降解、分層或斷裂。

為了大幅度降低鈷基電極的TEC而不對(duì)氧還原反應(yīng)（ORR）施加負(fù)面影響甚至帶來(lái)正面作用，南京工業(yè)大學(xué)邵宗平、周嵬等人報(bào)道了如何合成和適當(dāng)選擇負(fù)熱膨脹（NTE）材料，以及通過(guò)引入熱膨脹偏移來(lái)實(shí)現(xiàn)陰極與電池其他組件之間完全熱機(jī)械兼容的方法。

研究人員使用反應(yīng)燒結(jié)將具有高電化學(xué)活性和大的熱膨脹系數(shù)的鈷基鈣鈦礦?SrNb_0.1Co_0.9O_3?_δ（SNC，TEC為19-24×10^-6 K^-1）與負(fù)極熱膨脹材料Y₂W₃O₁₂氧化物（YWO，TEC為-7×10^-6 K^-1）結(jié)合在一起，在SNC與YWO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。由于在煅燒過(guò)程中，復(fù)合材料中兩種材料之間的反應(yīng)程度有限，導(dǎo)致鍶從鈣鈦礦本體相中脫出，形成新的中間相SrWO₄（SWO），這會(huì)在鈣鈦礦中形成A位缺陷。

結(jié)果，所獲得的SYNC復(fù)合材料（c-SYNC）顯示出良好的SOFC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，c-SYNC復(fù)合電極具有良好的ORR活性，ASR值為0.041 Ωcm²；使用c-SYNC陰極的SOFC紐扣電池的峰值功率密度在750 °C時(shí)達(dá)到1690 mW cm^-2。降低的TEC、鈣鈦礦相優(yōu)化和熱機(jī)械穩(wěn)定性的協(xié)同作用共同促進(jìn)了這種SOFC復(fù)合陰極的出色電化學(xué)性能，并為未來(lái)的SOFC電極設(shè)計(jì)開(kāi)辟了一條新路徑。

南京工業(yè)大學(xué)再發(fā)一篇Nature！

圖1 c-SYNC的性質(zhì)和形成機(jī)理

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圖2 c-SYNC的熱膨脹行為和電化學(xué)性能

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圖3 熱循環(huán)和機(jī)理示意圖

Zhang, Y., Chen, B., Guan, D. et al. Thermal-expansion offset for high-performance fuel cell cathodes. Nature 591, 246–251 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03264-1

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