韓國科學技術研究院(KIST)氫能材料研究團的池浩日博士和金烏工科大學（Kit）的崔時赫教授研究團隊宣布，他們開發了一種新型合成方法，可以大幅降低下一代高效陶瓷電池——質子陶瓷電池的電解質致密化過程中所需的燒結溫度。
低溫合成質子陶瓷電解質的燒結原理
現有的固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Cell，簡稱SOC）中的電解質和電極等所有組成部分都是由金屬氧化物等陶瓷材料構成的。這些電池不僅能發電，還能生產氫氣。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換效率。然而，由于需要使用耐高溫的材料，其生產成本較高，且長時間運行時會因材料劣化導致性能下降。
近年來，使用氫離子（質子）的固體氧化物電池——質子陶瓷電池（Protonic Ceramic Cell，簡稱PCC）作為下一代燃料電池備受關注。與傳遞氧離子的傳統電解質不同，質子陶瓷電池傳遞的是體積較小的氫離子（質子），因此可以實現更高的離子電導率。然而，為了制造質子陶瓷電池的電解質，需要在1500℃以上的高溫下進行燒結，這一過程中，組成物會發生揮發或析出現象，從而降低電解質的性能，成為質子陶瓷電池商業化的障礙。
研究團隊開發了一種新的電解質材料合成工藝，以降低燒結溫度。通常情況下，電解質是通過燒結由一種化合物構成的粉末制成的。然而，為了降低燒結溫度而添加的添加劑會殘留在電解質中，降低電池的輸出密度。研究團隊通過低溫合成發現，當將兩種化合物混合的粉末用于制備電解質時，在燒結加速過程中可以合成為一種燒結特性優異的化合物，在沒有添加劑的情況下，燒結溫度降低到了1400℃。
通過這種新工藝合成的質子陶瓷電解質，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特性。此外，當這種電解質應用于實際的質子陶瓷電池時，表現出了優異的質子傳導特性，在600℃下實現了約2倍于傳統電池的輸出密度（950mW/cm2）。這不僅可以縮短工藝時間，還能同時提升熱穩定性和陶瓷電解質的性能。研究團隊計劃在未來將這種基于兩種化合物燒結加速現象的新工藝應用于大面積電池的制造，以推動質子陶瓷電池的商業化。
KIST的池浩日博士表示：“通過本研究，我們解決了質子陶瓷電池制造過程中長期存在的燒結問題。如果大面積化技術成功開發，能夠有效管理能源，將其用于電力生產、水電解制取綠色氫和利用核電站廢熱制取粉紅氫等技術?！?/p>
該研究得到了科學技術信息通信部的支持，由KIST主要項目及未來氫源技術開發項目（2021M3I3A1084278）和產業通商資源部新再生能源核心技術開發項目（20223030040080）共同進行。研究成果已發表于國際學術期刊《Advanced Energy Materials》（影響因子24.4，JCR領域2.6%）。
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