固體氧化物燃料電池的商業化之路，遭遇的一個“攔路虎”就是熱機械不穩定性，即電池在熱循環中容易開裂、分層、破損。3月12日，科技日報記者從南京工業大學獲悉，該校固態離子與新能源技術團隊創新地提出了一種熱膨脹補償的策略，實現了燃料電池陰極與其他電池組件之間的完全熱機械兼容，從而解決了阻礙固體氧化物燃料電池商業化進程的一大技術難題。這一突破性成果近日登上國際頂級期刊《自然》。
熱循環和機理示意圖，課題組供圖
“熱機械不穩定性，是指固體氧化物燃料電池在高溫下運行時，電池不同組件之間的熱膨脹行為不匹配，會引起較大的內部應變梯度——在不同的位置應力不一樣，導致電池退化、分層或破裂。”研究團隊周嵬教授介紹，由于出色的氧化還原催化活性和高電導率，燃料電池最受歡迎的陰極材料是含鈷的鈣鈦礦氧化物，然而鈷基鈣鈦礦陰極的問題在于，它們的熱膨脹系數非常高，遠遠大于常用的電解質，導致熱機械不兼容。
為了大幅降低鈷基電極的熱膨脹系數，又不對氧還原反應施加負面影響，南工大教授邵宗平和周嵬團隊提出用熱膨脹補償策略克服上述技術瓶頸：通過固相燒結，將具有高電化學活性和熱膨脹系數的鈷基鈣鈦礦與負熱膨脹材料結合在一起，在兩者之間引發了有益的界面反應，從而形成具有與電解質良好匹配的熱膨脹性能的復合電極。
“熱膨脹補償策略是指用負的熱膨脹去抵消正的熱膨脹。我們日常生活中所見的物體一般都是熱脹冷縮的，而所謂負熱膨脹材料卻正好相反，它是‘熱縮冷脹’的。”論文第一作者、南工大博士生章遠介紹，團隊成員在邵宗平、周嵬教授帶領下，經過近六年的反復實驗摸索、接近一年時間的論文修改，才取得可喜進展。
最終，研究團隊所獲得的復合電極材料顯示出良好的電化學性能和出色的熱機械穩定性。具體而言，在600 ℃下，復合電極具有良好的催化活性；在經歷40次熱循環后，性能僅下降了8%。
周嵬介紹，優化的鈣鈦礦化學組成和良好的熱機械穩定性，共同促進了這種復合陰極的出色電化學性能，并為未來的固體氧化物燃料電池的電極設計開辟了一條嶄新路徑。
