科学家为下一代燃料电池开发出一种新型电解质合成方法

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研究团队开发出一种新型合成方法，可大幅降低下一代高效质子陶瓷电池中电解质致密化过程所需的烧结温度。他们的研究成果发表在《先进能源材料》杂志上。
现有的固体氧化物电池（SOC）可以在燃料电池运行中产生电能，在电解运行中产生氢气。值得注意的是，它们在 600°C 以上的高温下运行，与其他燃料电池相比，其能量转换效率更高。然而，缺点是生产成本高，因为需要耐高温的材料，而且随着时间的推移，热劣化会导致性能下降。
最近，利用质子（氢离子）传输而不是氧离子的质子陶瓷电池 (PCC) 已成为燃料电池和电解器等下一代能量转换装置。与传统的氧离子传导电解质不同，PCC 传输较小的氢离子，从而实现更高的离子电导率。
然而，制备PCC电解质需要1500℃以上的高温烧结，烧结过程中成分会蒸发或析出，导致电解质离子传导性能下降，成为阻碍PCC商业化的一大障碍。
通过低温合成工艺生产的双相质子陶瓷电解质表现出增强的烧结特性，从而降低了传统工艺的烧结温度。因此，电解质的固有特性可以在设备中实现，从而提高电池性能。图片来源：韩国科学技术研究院
为了降低烧结温度，研究团队开发了一种合成电解质材料的新工艺。通常，质子陶瓷电池的电解质是通过烧结由单一化合物组成的粉末来生产的。然而，当使用添加剂降低烧结温度时，残留的添加剂会残留在电解质中，从而降低电池的功率密度。
研究团队发现，通过低温合成含有两种不同化合物的粉末，在烧结过程中会伴随单相反应形成一种烧结性能优异的单一化合物。这使得烧结温度可降至 1,400°C，而无需添加任何添加剂。
新工艺不使用烧结助剂或特殊烧结方法，实现了电解质膜的最低烧结温度。图片来源：韩国科学技术研究院
通过这种新工艺合成的质子陶瓷电解质即使在较低温度下也能形成致密的膜，从而增强电池的电化学性能。当应用于实际的质子陶瓷电池时，这种电解质表现出优异的质子传导性，在 600°C 时可实现 950mW/cm 2的功率密度——大约是现有电池的两倍。
预计此举将缩短工艺时间，同时提高陶瓷电解质的热稳定性和性能。研究团队计划将这一利用两种化合物之间加速烧结的新工艺应用于大面积电池的生产，以实现质子陶瓷电池的商业化。
研究人员包括韩国科学技术研究院 (KIST) 氢能材料研究中心的 Ho-Il Ji 博士，以及金乌国立技术学院的 Sihyuk Choi 教授团队。
KIST的Ji博士表示：“这项研究解决了质子陶瓷电池生产过程中的长期烧结问题。如果成功开发出大面积技术，将通过电解生产绿色氢气和利用核电站废热生产粉红色氢气，实现高效的能源管理。”