燃料電池迎來黃金時期？新型設計原則可很好地實現較低溫度下質子電導率的增強
發布時間：2022-01-02 08:32:22
上海交通大學聯合研究所（UM-SJTU JI）陳千麗教授和她的合作者提出了一種新的設計原則，用于高質子傳導性鈣鈦礦材料作為固體氧化物燃料電池的電解質材料。他們的工作論文發表在《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）的化學能直接轉化為電能的電化學裝置，具有能量轉換效率高、清潔環保等優點。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格的要求。
當使用質子傳導陶瓷作為燃料電池電解質材料時，工作溫度可降至450-700℃，從而顯著降低生產成本。然而，這些中溫燃料電池的商業化需要進一步提高它們的質子傳導性。
研究人員建議，可以通過將晶格振動頻率調整為所需的等速溫度來提高低溫下的質子傳導率。
質子的擴散需要克服能量障礙，稱為活化能。一般來說，為了提高質子傳導率，預計活化能會降低。作者發現質子電導率遵循關于凝聚態物質中原子擴散動力學的邁耶-內德爾規則 (MNR)。當活化能降低時，電導方程中的前置因子相應減小，從而抑制了電導率的增強。
作者發現，當通過改變材料結構來調整活化能時，具有不同活化能的電導率在等速溫度下相交，其中質子電導率與活化能無關，而僅取決于材料的本征性質。
從等速溫度與材料結構的關系來看，作者提出通過將材料結構調節到所需的等速溫度，可以很好地實現較低溫度下質子電導率的增強。通過揭示晶格振動與質子傳導率之間的關系，作者提出了具有高質子傳導率的新型鈣鈦礦材料的設計原則。
