韓國科學(xué)技術(shù)研究院(KIST)氫能材料研究團的池浩日博士和金烏工科大學(xué)（Kit）的崔時赫教授研究團隊宣布，他們開發(fā)了一種新型合成方法，可以大幅降低下一代高效陶瓷電池——質(zhì)子陶瓷電池的電解質(zhì)致密化過程中所需的燒結(jié)溫度。
低溫合成質(zhì)子陶瓷電解質(zhì)的燒結(jié)原理
現(xiàn)有的固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Cell，簡稱SOC）中的電解質(zhì)和電極等所有組成部分都是由金屬氧化物等陶瓷材料構(gòu)成的。這些電池不僅能發(fā)電，還能生產(chǎn)氫氣。特別是由于其在600℃以上的高溫下運行，相較于其他燃料電池具有更高的電力轉(zhuǎn)換效率。然而，由于需要使用耐高溫的材料，其生產(chǎn)成本較高，且長時間運行時會因材料劣化導(dǎo)致性能下降。
近年來，使用氫離子（質(zhì)子）的固體氧化物電池——質(zhì)子陶瓷電池（Protonic Ceramic Cell，簡稱PCC）作為下一代燃料電池備受關(guān)注。與傳遞氧離子的傳統(tǒng)電解質(zhì)不同，質(zhì)子陶瓷電池傳遞的是體積較小的氫離子（質(zhì)子），因此可以實現(xiàn)更高的離子電導(dǎo)率。然而，為了制造質(zhì)子陶瓷電池的電解質(zhì)，需要在1500℃以上的高溫下進行燒結(jié)，這一過程中，組成物會發(fā)生揮發(fā)或析出現(xiàn)象，從而降低電解質(zhì)的性能，成為質(zhì)子陶瓷電池商業(yè)化的障礙。
研究團隊開發(fā)了一種新的電解質(zhì)材料合成工藝，以降低燒結(jié)溫度。通常情況下，電解質(zhì)是通過燒結(jié)由一種化合物構(gòu)成的粉末制成的。然而，為了降低燒結(jié)溫度而添加的添加劑會殘留在電解質(zhì)中，降低電池的輸出密度。研究團隊通過低溫合成發(fā)現(xiàn)，當(dāng)將兩種化合物混合的粉末用于制備電解質(zhì)時，在燒結(jié)加速過程中可以合成為一種燒結(jié)特性優(yōu)異的化合物，在沒有添加劑的情況下，燒結(jié)溫度降低到了1400℃。
通過這種新工藝合成的質(zhì)子陶瓷電解質(zhì)，即使在較低溫度下也能形成致密的膜，提升了電池的電化學(xué)特性。此外，當(dāng)這種電解質(zhì)應(yīng)用于實際的質(zhì)子陶瓷電池時，表現(xiàn)出了優(yōu)異的質(zhì)子傳導(dǎo)特性，在600℃下實現(xiàn)了約2倍于傳統(tǒng)電池的輸出密度（950mW/cm2）。這不僅可以縮短工藝時間，還能同時提升熱穩(wěn)定性和陶瓷電解質(zhì)的性能。研究團隊計劃在未來將這種基于兩種化合物燒結(jié)加速現(xiàn)象的新工藝應(yīng)用于大面積電池的制造，以推動質(zhì)子陶瓷電池的商業(yè)化。
KIST的池浩日博士表示：“通過本研究，我們解決了質(zhì)子陶瓷電池制造過程中長期存在的燒結(jié)問題。如果大面積化技術(shù)成功開發(fā)，能夠有效管理能源，將其用于電力生產(chǎn)、水電解制取綠色氫和利用核電站廢熱制取粉紅氫等技術(shù)?！?/p>
該研究得到了科學(xué)技術(shù)信息通信部的支持，由KIST主要項目及未來氫源技術(shù)開發(fā)項目（2021M3I3A1084278）和產(chǎn)業(yè)通商資源部新再生能源核心技術(shù)開發(fā)項目（20223030040080）共同進行。研究成果已發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《Advanced Energy Materials》（影響因子24.4，JCR領(lǐng)域2.6%）。
長按識別二維碼關(guān)注公眾號，點擊下方菜單欄左側(cè)“微信群”，申請加入交流群。
