燃料電池迎來黃金時期？新型設(shè)計原則可很好地實現(xiàn)較低溫度下質(zhì)子電導(dǎo)率的增強
發(fā)布時間：2022-01-02 08:32:22
上海交通大學(xué)聯(lián)合研究所（UM-SJTU JI）陳千麗教授和她的合作者提出了一種新的設(shè)計原則，用于高質(zhì)子傳導(dǎo)性鈣鈦礦材料作為固體氧化物燃料電池的電解質(zhì)材料。他們的工作論文發(fā)表在《先進能源材料》雜志上。
固體氧化物燃料電池是將燃料（如氫氣、天然氣）的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)裝置，具有能量轉(zhuǎn)換效率高、清潔環(huán)保等優(yōu)點。然而，目前固體氧化物燃料電池的工作溫度普遍較高（700-1000℃），對器件所有組成材料的高溫耐久性提出了嚴(yán)格的要求。
當(dāng)使用質(zhì)子傳導(dǎo)陶瓷作為燃料電池電解質(zhì)材料時，工作溫度可降至450-700℃，從而顯著降低生產(chǎn)成本。然而，這些中溫燃料電池的商業(yè)化需要進一步提高它們的質(zhì)子傳導(dǎo)性。
研究人員建議，可以通過將晶格振動頻率調(diào)整為所需的等速溫度來提高低溫下的質(zhì)子傳導(dǎo)率。
質(zhì)子的擴散需要克服能量障礙，稱為活化能。一般來說，為了提高質(zhì)子傳導(dǎo)率，預(yù)計活化能會降低。作者發(fā)現(xiàn)質(zhì)子電導(dǎo)率遵循關(guān)于凝聚態(tài)物質(zhì)中原子擴散動力學(xué)的邁耶-內(nèi)德爾規(guī)則 (MNR)。當(dāng)活化能降低時，電導(dǎo)方程中的前置因子相應(yīng)減小，從而抑制了電導(dǎo)率的增強。
作者發(fā)現(xiàn)，當(dāng)通過改變材料結(jié)構(gòu)來調(diào)整活化能時，具有不同活化能的電導(dǎo)率在等速溫度下相交，其中質(zhì)子電導(dǎo)率與活化能無關(guān)，而僅取決于材料的本征性質(zhì)。
從等速溫度與材料結(jié)構(gòu)的關(guān)系來看，作者提出通過將材料結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)到所需的等速溫度，可以很好地實現(xiàn)較低溫度下質(zhì)子電導(dǎo)率的增強。通過揭示晶格振動與質(zhì)子傳導(dǎo)率之間的關(guān)系，作者提出了具有高質(zhì)子傳導(dǎo)率的新型鈣鈦礦材料的設(shè)計原則。
