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新電解質助力固體氧化物燃料電池實現中溫環境高效運行
2025年08月12日 15:35:39
來源：化工儀器網 作者：小王 點擊量：231
開發低成本、低溫SOFC是SOFC研發領域的一個重點課題。而就在近日，該課題收獲了重要突破——日本九州大學研究團隊研制出可在300℃中溫條件下高效運行的新型SOFC。
作為一種高效、清潔的能源轉換技術，固體氧化物燃料電池(SOFC)因高效率、低排放、燃料選擇廣泛等優勢，被認為是是分布式發電和熱電聯供系統的理想選擇。也正因如此，SOFC近年來收獲了業界的廣泛關注，各國科學家均在該技術上尋求進一步突破。
而在SOFC的研發過程中，高溫限制是一個重要難點。SOFC依賴高離子電導率且結構穩定的材料，目前采用的主要是氧化釔穩定氧化鋯(YSZ)。但YSZ需要在高溫(800-1000℃)下才能展現出優異的性能，一但溫度降低，電導率便會顯著下降。這導致了目前成熟的SOFC，運行溫度通常都限制在700—800℃。同時，為了滿足高溫環境的正常使用，電池的其他材料也只能使用昂貴的耐高溫材料。這嚴重制約了此類電池的量產與廣泛應用的可能，制約了其商業化進程。
也正因如此，開發低成本、低溫SOFC成為SOFC研發領域的一個重點課題。而就在近日，該課題收獲了重要突破——日本九州大學研究團隊研制出可在300℃中溫條件下高效運行的新型SOFC。
SOFC采用陶瓷作為電解質，這類電解質由不同原子組合并按晶格結構排列，工作過程中，質子需在這些原子間穿行。而研究團隊發現，過去采用的加入化學摻雜劑調節質子傳輸速度的方法，雖然可以增加質子數量，但無法避免晶格堵塞，甚至可能增加晶格堵塞情況出現的可能性，從而減緩質子運動。基于此，研究團隊在電解質材料晶格結構上尋求突破，尋找既能容納大量質子又能讓其自由運動的氧化物晶體。
最終，研究團隊通過將高濃度的鈧摻雜到錫酸鋇和鈦酸鋇中，成功設計出了新的，符合預期的電解質材料。結構分析與分子動力學模擬顯示，鈧原子會將周圍的氧原子連接成“ScO6高速通道”，使質子以極低的遷移勢壘快速通過。這條通道寬闊且振動柔和，避免了高摻雜氧化物中常見的質子陷阱。
同時晶格動力學數據還表明，錫酸鋇和鈦酸鋇的結構比傳統SOFC材料更“柔軟”，可吸收更多鈧，從而進一步提升質子傳輸性能。新材料的表現也成功符合了研究團隊的預期：在300℃條件下能夠實現超過0.01S/cm的質子電導率，相當于傳統SOFC電解質在高溫運行時的性能。
目前相關成果已經發表于《自然-材料》雜志，感興趣的讀者可以查閱學習。
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