近日，材料化学工程国家重点实验室固态离子与新能源技术团队在《自然》正刊发表了题为“Thermal-expansion offset for high-performance fuel cell cathodes”的研究论文（Nature, 2021, 591, 246–251）。重点实验室为该论文第一单位，邵宗平教授和周嵬教授为通讯作者。

固体氧化物燃料电池（SOFC）作为一种高效的能量转换装置，其商业化发展面临的一大挑战就是热机械不稳定性——电池在热循环中容易发生开裂、分层、破损等热机械损伤。其中一大原因是常用经典钴基钙钛矿阴极较高的热膨胀系数（TEC）远远大于普通SOFC电解质，这可能导致电池阴极与电解质这一关键功能界面处发生分层或断裂。

针对这一问题，团队提出了该研究首次提出“负热膨胀补偿调节”概念，通过固相烧结将具有高电化学活性和热膨胀系数（TEC）的钴基钙钛矿与负热膨胀材料（NTE，Y₂W₃O₁₂氧化物）结合在一起，从而形成与电解质TEC几乎一致的复合电极材料（复合材料TEC值12.9╳10^-6 K^-1，电解质TEC值为12.3╳10^-6 K^-1），实现与电解质良好匹配的热膨胀性能。当应用到SOFC电池上时，阴极与电解质界面稳定性得到了显著提升，所获得的复合电极材料表现出出色的热机械稳定性，此外该材料的电化学催化活性亦得到了提升——比面积极化阻抗值低至0.041 Ω cm²；使用复合阴极材料的固体氧化物燃料电池的峰值功率密度在750 °C时达到1690 mW cm^-2。为了揭示这一现象，团队通对复合电极NTE颗粒和钴基钙钛矿催化颗粒界面的精细表征，发现两者之间有益的界面反应（生成SrWO₄和A位缺陷的Sr_1-xY_y(Nb_0.1Co_0.9)_1-yO_3-δ）提供了具有较高氧空穴浓度和较低TEC的新型主相材料，提高了电催化活性，同时提供了热膨胀缓冲层，并在多相共同作用下达到整体降低TEC的作用，40次热循环后电极性下降仅8%。（图1）

图1 电极热循环稳定性与复合电极协同机理

此外，电池烧结制备过程中，复合电极与电解质的优异热膨胀匹配性也可能减少了电池内部热应力导致的离子电子传导网络中微缺陷（裂纹，分层）的发育生成过程，保证电池阴极高效的电化学催化过程。

该突破性成果克服了固体氧化物电池电极-电解质界面热膨胀系数不匹配的难题，也为高性能、高稳定性SOFC阴极开发提供了一种全新的思路，同时对诸多高温催化材料、器件的热机械性能难题的解决具有重大的借鉴意义。

参考文献：Yuan Zhang , Bin Chen, Daqin Guan, Meigui Xu , Ran Ran , Meng Ni , Wei Zhou , Ryan O’Hayre & Zongping Shao, Thermal-expansion offset for high-performance fuel cell cathodes. Nature 591, 246–251 (2021).

 作者：材料化学工程国家重点实验室、伟德bevictor      审核：仲盛来、鞠永干