随着社会试图从传统的化石燃料能源系统转向更绿色、可再生的解决方案,出现了许多不同的选择。燃料电池引起了很多人的兴趣,尤其是对于下一代汽车,并且被视为与电动汽车并驾齐驱的竞争技术之一(但尚未成熟)。


燃料电池领域本身就是一个广阔的领域,类似于能量产生和存储设备的领域。燃料电池的一个分支是固体氧化物燃料电池 (SOFC)。这些类型的燃料电池以其高效地将化学能转化为电能的能力而著称,并且对于可以与它们一起使用的碳氢化合物燃料具有很大程度的灵活性,包括许多常见的碳氢化合物,如甲烷和氨,以及氢。


目前市场上已经有许多商业 SOFC 用于实际应用,从固定应用到运输应用。多年来,人们一直致力于提高这些燃料电池系统的耐用性和长期稳定性。然而,大部分研究都存在成本增加的重大问题,因此重点转向了可以在分子水平上操纵和调整特性的纳米工程方法,目的是将这些分子尺度效应转化为宏观级特性(例如增加功率密度和减小堆栈尺寸)而不会显着增加成本。这项研究的重点是电化学电池中的阴极材料,因为这些材料很容易成为纳米工程方法的目标。


迄今为止纳米工程方法的挑战


作为一个通用领域,纳米工程是在纳米尺度上对材料进行创造、操作和功能化,无论是在材料的表面还是在材料的基质内。它用于改善许多材料和电子设备的性能,不同的纳米工程方法也可以改善 SOFC。然而,许多纳米工程方法往往针对某个属性或参数,因此通常需要在您想要什么属性和您可以实现什么之间进行权衡。这就是为什么要尝试许多不同的纳米工程方法,以查看哪种方法最适合特定材料和/或设备。

研究人员利用纳米工程提高固体氧化物燃料电池的功率密度

已经有许多方法已经针对 SOFC 进行了试验,但大多数都存在一些固有的挑战,因为虽然它们改进了燃料电池的某些领域,但其他领域却被抛在了后面(在某些情况下,这些可能是燃料电池的重要特性/特征)系统)。例如,脉冲激光沉积已被用于制造具有低面积电阻 (ASR) 和高氧交换特性的阴极材料。此外,非真空基溶胶-凝胶方法已被用于制造具有极低 ASR 值的镧基阴极。


然而,虽然这些方法显示出一些良好的初始性能,但迄今为止对这些纳米工程阴极的关注仅集中在阴极的初始性能上,而不是长期稳定性和性能上。许多这些类型的方法都专注于生产仅由一种材料制成的薄膜阴极。因此,传统上体积更大、多孔性更强的正极的稳定性无疑会受到质疑,在这些正极的长期影响方面需要做大量工作,然后才能为安全性和稳定性要求较高的实际应用做好准备。最重要的功能。


纳米工程混合阴极


为了克服许多纯薄膜电极的挑战,已经开发了许多纳米工程方法,其中阴极由薄膜纳米复合材料组成——使用具有钙钛矿氧化物的镧材料和良好的纳米级离子导体材料(例如,纳米级掺杂二氧化铈)。


这些类型的阴极具有高阴极/电解质界面面积密度和氧化物离子转移,可降低整个系统的电阻,从而实现更节能的转移机制。然而,尽管它们更有希望,但仍有一些挑战需要克服。首先是没有多少制造方法可以有效地整合复合材料的所有不同元素(尤其是氧化铈材料)。其次,在性能方面,由于它们仍然是薄膜阴极,它们在高温下可能会失去一些纳米结构特征,从而导致表面交换性能和长期性能不佳。


研究人员利用纳米工程提高固体氧化物燃料电池的功率密度

图 5. 论文中显示了燃料电池的结构。


一种新的纳米工程方法


研究人员提出了一种建立在纳米工程方法的纳米复合材料方面的新方法。与迄今为止的其他纳米复合材料不同,研究人员能够使用脉冲激光沉积来制造薄膜纳米复合材料,从而使他们能够更高程度地控制可以添加到纳米复合材料中的不同成分。其他使用脉冲激光沉积的努力集中在单一材料阴极,而不是纳米复合材料。


该团队使用激光沉积方法创建了镧锶钴铁氧体 (LSCF) 和钆掺杂的氧化铈的自组装层,以形成致密的纳米多孔薄膜(很像体积更大的多孔阴极)。发现这些层在纳米复合材料中的分布产生了高效的过渡层。发现这是因为层间的高界面密度和良好的附着力,并且 LSCF 膜层为氧还原反应的发生提供了高表面积——这是许多燃料电池技术的基础。


由于层间附着力强,界面稳定性好,所得层状复合材料具有较高的稳定性。此外,发现阴极在高温下是稳定的,因为多孔网络和高表面积可以克服导致许多阴极高温不稳定性的晶粒粗化效应。最后,将阴极集成到传统的阳极支撑电池中(使用薄的镍氧化钇稳定的氧化锆电解质)有助于降低整个电池的欧姆电阻。


就具体数量而言,这些纳米工程电池显示出高电流密度,其中在 0.7 V 时,在 650 °C 和 700 °C 下分别实现了 2.2 和 4.7 A/cm2 的电流密度,展示了电流密度潜力和热稳定性的细胞。这里的研究表明,通过纳米工程方法在基本层面调整材料特性为提高 SOFC 的电化学性能提供了一条低成本的途径。SOFC 今天已经被使用,但如果我们要看到它们的用途多样化到更多应用中,那么纳米工程方法提供了一种增加功率输出以满足能源密集型应用需求的方法。



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