由于復合材料中兩種材料之間的反應有限，因此形成了新的界面相，這也會在鈣鈦礦中形成A位點缺陷，從而該復合材料顯示出高活性和優異的穩定性。究其原因，作者認為降低的TEC，優化鈣鈦礦相以及熱機械穩定性的協同作用，共同實現了SOFC復合陰極優異的電化學性能。
固體氧化物燃料電池（SOFC）作為能量轉換裝置的商業發展面臨的一個挑戰是熱機械不穩定性。由于不同燃料電池組分之間的熱膨脹系數（TECs）不匹配，引起的大的內部應變是造成這種不穩定的主要原因，從而可能導致電池退化、分層或斷裂。其中，中溫固體氧化物燃料電池SOFC的最流行的正極材料是含鈷鈣鈦礦，在之前的研究中，為了降低鈷基電極的TEC值，已經進行了相當大的努力。但是，這些策略中的大多數都可以將鈷基電極的TEC值降低到合適的程度，但無法完全匹配電解質的TEC值，同時可能對氧還原反應（ORR）活性產生負面影響。今日，南京工業大學邵宗平教授，周嵬教授團隊（通訊作者）通過引入熱膨脹補償策略，以此實現陰極與其他電池構件之間熱機械兼容。作者使用反應燒結將具有高電化學活性和大熱膨脹系數的鈷基鈣鈦礦與負熱膨脹材料結合在一起，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。在煅燒過程中，由于復合材料中兩種材料之間的反應有限，因此形成了新的界面相，這也會在鈣鈦礦中形成A位點缺陷，從而該復合材料顯示出高活性和優異的穩定性。究其原因，作者認為降低的TEC，優化鈣鈦礦相以及熱機械穩定性的協同作用，共同實現了SOFC復合陰極優異的電化學性能。相關研究成果以“Thermal-expansion offset for high-performance fuel cell cathodes”為題發表在Nature上。
圖一、c-SYNC的性質和形成機制
（c）煅燒前c-SYNC和“原始” SNC/YWO的Sr 3d軌道的XPS圖譜；（e-g）YWO，SWO和SYNC相界面的HR TEM圖像；（h）f中SYNC相的[110]區域軸的SEAD模式；（k，l）STEM圖像和相應的SWO相FFT圖像。
（a）c-SYNC和SNC在100至800℃的空氣中的熱膨脹曲線；（b）SNC，SYNC，x wt％SWO-SNC和x wt％YWO-SNC組成的TECs，質量百分比x在0到100之間變化；（d）在800、900和1000℃燒制的c-SYNC電極的極化電阻；（e）在500、600和650℃下c-SYNC電極的阻抗譜；（f）在600℃條件下，各種ORE材料的RP與TEC的匯總圖；（g）基于c-SYNC和SNC的對稱電池的ASR值與電極厚度的函數關系；（h）40μm厚c-SYNC和SNC對稱電池在600℃的空氣中測量200小時的Rp；（i）耐久性試驗前后c-SYNC和SNC電極的EIS圖。
（a）基于SNC和c-SYNC的對稱電池電極在600℃到300℃之間的40個熱循環中的ASR（RP）響應（在最低30℃ min-1的加熱速率和大約最低7.5℃ min-1的被動冷卻下90小時的總累計試驗）；（b，c）循環后SNC（b）和c-SYNC（c）對稱電池的代表性EIS曲線；（e）有40μm厚c-SYNC陰極的陽極支撐的H2/空氣SOFC的I-V和I-P（I，電流密度；V，電壓；P，功率密度）曲線；（f）提出了在c-SYNC復合電極TEC補償熱機械增強的機理，并對粒子相互作用和力的分析進行了放大，對比了SNC與c-SYNC的行為。 文章轉載自微信公眾號：材料人
