近日，实验室在固体氧化物燃料电池（SOFC）复合阴极的研发和机理方面取得新进展，相关成果以《A high performance thermal expansion offset composite cathode for IT-SOFCs》为题，发表在国际知名期刊J. Mater. Chem. A上。论文第一作者为硕士研究生刘康，通讯作者为蔡彬教授。

《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书》和《河南省氢能产业发展中长期规划（2022-2035年）》中都强调了氢能在新能源领域的重要作用。全固态、低成本的SOFC是一种将燃料中的化学能直接转化为电能的电化学装置，若对其进行反向通电（逆过程）则可把电能转变为燃料，此时称为固体氧化物电解池（SOEC），统称固体氧化物电池（SOC）。由于能量转换过程不受“卡罗循环”限制，转换效率通常在60%以上，热电联供效率则在80%以上。因而，SOC在固定电站、家庭电源、船舶动力、汽车动力、空间宇航和新型储能等领域均具有重要价值。

世界各地已有近千台SOFC示范系统运行成功，最长运行时间达4万小时。但过高运行温度（>1073 K）所导致的制造困难、运行不便和成本高昂等问题严重制约了其推广应用。工作温度降低，则导致电化学性能急剧下降。因而，如何将有效工作温度降低至中温（873-1073 K），甚至是低温（673-873 K）已成为国际上SOFC研究与开发的热点。

在前期工作基础上，蔡彬教授指导硕士生刘康，博士生卢飞等，通过在SDC基SOFC的PBSC阴极中添加负热膨胀氧化物SZM降低复合阴极热膨胀系数，在显著改善阴极/电解质界面热匹配性的同时，增加三相界面长度和离子传输通道，从而显著提升单电池长期稳定性和电化学性能。结果表明：SZM含量为20%的复合阴极构成的单电池具有最优电化学性能，723-923 K峰值功率密度可达231-1462 mW/cm2，并具有优异的长期和热循环稳定性，综合指标处于国际领先水平。借助微结构表征、阴极材料电导率弛豫和对称电池弛豫时间分布等分析，对其内在机理进行了深入讨论。该研究对降低SOFC工作温度，促进其早日应用具有重要的理论意义和应用价值。

该工作得到了国家自然科学基金河南联合培育项目（U2004167）和面上项目（11974316）的资助，微结构观察得到了郑州大学现代分析与基因测序中心的帮助。

论文链接: https://doi.org/10.1039/d2ta04899j