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中国研究人员提出新的质子传导电解质设计原理 可用于中温固态氧化物燃料电池

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盖世汽车讯 据外媒报道,上海交通大学密西根学院(UM-SJTU JI)陈倩栎教授及其合作者提出一种新设计原理,将具有高质子电导率的钙钛矿材料,用作固态氧化物燃料电池的电解质材料。

中国研究人员提出新的质子传导电解质设计原理 可用于中温固态氧化物燃料电池

(图片来源:上海交通大学)

固态氧化物燃料电池是一种电化学装置,将氢气、天然气等燃料,从化学能直接转化为电能。同时,具有能量转换效率高、清洁环保等优点。然而,目前,固态氧化物燃料电池的工作温度普遍较高,约为700-1000°C,这对电池组件材料的耐高温性提出了严格的要求。

使用质子导电陶瓷,作为燃料电池的电解质材料,有望将运行温度降至450-700°C,大大降低生产成本。然而,其质子导电率需要进一步提高,以实现此类中等温度燃料电池的商业化。研究人员认为,可以通过调整晶格振动频率,实现理想的等动力学温度,从而提高质子在低温下的质子导电率。

质子扩散需要克服被称做活化能的能量势垒。总的来说,为了提高质子导电率,应该降低活化能。研究人员发现,质子导电率遵循凝聚态原子扩散动力学的Meyer-Neldel规则。当活化能降低时,电导率公式中的指前因子相应减小,从而阻止提高电导率。研究人员进一步发现,当改变材料结构以引起活化能变化时,不同活化能的电导率曲线在一个等动力温度下相交,而质子电导率与活化能无关,只与材料的固有性质有关。研究人员从等动力温度与材料结构的关系出发,提出通过调整材料结构来实现理想的等动力温度,可以很好地提高低温下的质子电导率。

研究人员表示:“作为中温陶瓷电化学电池的质子传导电解质,钙钛矿型金属氧化物已经引起广泛关注,例如Y掺杂BaMO 3(M = Zr/Ce)。在较低温度下提高质子传导率,需要全面了解质子传导机制。通过施加高压或改变Y掺杂BaMO 3中的Ce含量,可以发现其质子电导率符合Meyer-Neldel规则(MNR)。在阿瑞尼氏图(Arrhenius plot)中,电导率在等动力温度下相交,其中质子电导率与活化能无关。考虑到等动力温度和晶格振动频率之间的关系,在具有硬晶格、由轻原子和小M-O键长组成的材料中,可以观察到高等动力温度。基于对MNR的考虑,建议调整晶格振动频率,以实现所需的等动力温度,从而明显提高低温下的质子电导率。”

通过揭示晶格振动与质子传导率之间的关系,研究人员提出了具有高质子传导率的新型钙钛矿材料的设计原则。

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作者: cbf001

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