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2025年8月19日14:00，化工儀器網(wǎng)特聯(lián)合哈希水質(zhì)[詳細(xì)]
新電解質(zhì)助力固體氧化物燃料電池實(shí)現(xiàn)中溫環(huán)境高效運(yùn)行
2025年08月12日 15:35:39
來源：化工儀器網(wǎng) 作者：小王 點(diǎn)擊量：634
開發(fā)低成本、低溫SOFC是SOFC研發(fā)領(lǐng)域的一個(gè)重點(diǎn)課題。而就在近日，該課題收獲了重要突破——日本九州大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)研制出可在300℃中溫條件下高效運(yùn)行的新型SOFC。
作為一種高效、清潔的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)，固體氧化物燃料電池(SOFC)因高效率、低排放、燃料選擇廣泛等優(yōu)勢，被認(rèn)為是是分布式發(fā)電和熱電聯(lián)供系統(tǒng)的理想選擇。也正因如此，SOFC近年來收獲了業(yè)界的廣泛關(guān)注，各國科學(xué)家均在該技術(shù)上尋求進(jìn)一步突破。
而在SOFC的研發(fā)過程中，高溫限制是一個(gè)重要難點(diǎn)。SOFC依賴高離子電導(dǎo)率且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的材料，目前采用的主要是氧化釔穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)。但YSZ需要在高溫(800-1000℃)下才能展現(xiàn)出優(yōu)異的性能，一但溫度降低，電導(dǎo)率便會(huì)顯著下降。這導(dǎo)致了目前成熟的SOFC，運(yùn)行溫度通常都限制在700—800℃。同時(shí)，為了滿足高溫環(huán)境的正常使用，電池的其他材料也只能使用昂貴的耐高溫材料。這嚴(yán)重制約了此類電池的量產(chǎn)與廣泛應(yīng)用的可能，制約了其商業(yè)化進(jìn)程。
也正因如此，開發(fā)低成本、低溫SOFC成為SOFC研發(fā)領(lǐng)域的一個(gè)重點(diǎn)課題。而就在近日，該課題收獲了重要突破——日本九州大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)研制出可在300℃中溫條件下高效運(yùn)行的新型SOFC。
SOFC采用陶瓷作為電解質(zhì)，這類電解質(zhì)由不同原子組合并按晶格結(jié)構(gòu)排列，工作過程中，質(zhì)子需在這些原子間穿行。而研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，過去采用的加入化學(xué)摻雜劑調(diào)節(jié)質(zhì)子傳輸速度的方法，雖然可以增加質(zhì)子數(shù)量，但無法避免晶格堵塞，甚至可能增加晶格堵塞情況出現(xiàn)的可能性，從而減緩質(zhì)子運(yùn)動(dòng)。基于此，研究團(tuán)隊(duì)在電解質(zhì)材料晶格結(jié)構(gòu)上尋求突破，尋找既能容納大量質(zhì)子又能讓其自由運(yùn)動(dòng)的氧化物晶體。
最終，研究團(tuán)隊(duì)通過將高濃度的鈧摻雜到錫酸鋇和鈦酸鋇中，成功設(shè)計(jì)出了新的，符合預(yù)期的電解質(zhì)材料。結(jié)構(gòu)分析與分子動(dòng)力學(xué)模擬顯示，鈧原子會(huì)將周圍的氧原子連接成“ScO6高速通道”，使質(zhì)子以極低的遷移勢壘快速通過。這條通道寬闊且振動(dòng)柔和，避免了高摻雜氧化物中常見的質(zhì)子陷阱。
同時(shí)晶格動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)還表明，錫酸鋇和鈦酸鋇的結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)SOFC材料更“柔軟”，可吸收更多鈧，從而進(jìn)一步提升質(zhì)子傳輸性能。新材料的表現(xiàn)也成功符合了研究團(tuán)隊(duì)的預(yù)期：在300℃條件下能夠?qū)崿F(xiàn)超過0.01S/cm的質(zhì)子電導(dǎo)率，相當(dāng)于傳統(tǒng)SOFC電解質(zhì)在高溫運(yùn)行時(shí)的性能。
目前相關(guān)成果已經(jīng)發(fā)表于《自然-材料》雜志，感興趣的讀者可以查閱學(xué)習(xí)。
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