1 景德镇陶瓷大学材料科学与工程学院，江西 景德镇 333403
2 景德镇陶瓷大学国家日用及建筑陶瓷工程技术中心，江西 景德镇 333001
3 江门职业技术学院，广东 江门 529090
为了提升低温固体氧化物燃料电池阴极的电化学性能，设计制备了2种具有多功能层级骨架结构的La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ/Ce0.9Gd0.1O2-δ (LSCF/GDC)阴极材料，研究了层级骨架阴极的显微结构和电化学性能。结果表明：GDC初级骨架其孔隙率高达80.5%，充分保证了LSCF或GDC次级骨架的构建、后续负载以及工作态下的氧气扩散。采用弛豫时间分布分析不同阴极的电化学阻抗谱，以LSCF纳米颗粒为次级骨架，具有连续电子导电通道，显著增加了反应活性位点，后续负载的GDC纳米颗粒协同促进了氧气的吸附/解离，其600 ℃条件下的总极化电阻仅为0.236 Ω·cm2，得到了制备工艺简单、氧还原反应活性强的层级骨架阴极，有望推动低温固体氧化物燃料电池的进一步发展。
低温固体氧化物燃料电池 阴极 层级骨架 弛豫时间分布 low-temperature solid oxide fuel cells cathode hierarchical scaffold distribution of relaxation times
1 1.中国矿业大学 材料科学与物理学院, 徐州 221116
2 2.广东能源集团科技研究院有限公司, 广州 510000
中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)有助于国家的碳中和战略, 但其阴极材料难以兼顾热兼容性和催化活性。为此, 基于多元素耦合的高熵策略, 本研究合成了高熵阴极材料GdBa(Fe0.2Mn0.2Co0.2Ni0.2Cu0.2)2O5+δ(HE-GBO), 具有双过氧化物结构, 与Gd0.1Ce0.9O2-δ(GDC)有良好的化学兼容性, 协调了与催化活性之间的平衡性。采用HE-GBO阴极的对称电池在800 ℃下的极化电阻(Rp)为1.68 Ω·cm2, 而HE-GBO-GDC(质量比7 : 3)复合阴极的Rp因引入GDC而显著降低(800 ℃下Rp为0.23 Ω·cm2)。采用HE-GBO和HE-GBO-GDC阴极组装树枝状微通道阳极支撑单电池,在800 ℃的最大功率密度分别达到972.12和1057.06 mW/cm2, 使用高熵阴极可以进一步提高电池性能。这些结果表明多尺度优化有助于开发高性能的IT-SOFC阴极材料。
高熵阴极 固体氧化物燃料电池 热相容性 树枝状微通道 high-entropy cathode solid oxide fuel cells thermal compatibility dendritic microchannels
1 清华大学未来实验室, 中国 北京 100084
2 清华大学美术学院, 中国 北京 100084
3 耶鲁大学机械工程与材料科学系, 美国 康涅狄格州 纽黑文市 06520
4 纽约大学数据科学中心, 美国 纽约州 纽约 10012
5 清华大学能源与动力工程系, 中国 北京 100084
6 清华大学材料学院, 中国 北京 100084
随着清洁能源系统的推广应用, 锂离子电池、固体氧化物燃料电池作为清洁能源器件受到广泛的关注。然而, 作为复杂的电力动力系统, 电池的商用化一直面临长时间、多维度、高精度的性能预测需求, 一些新型的电池性能预测方法仍处于起步探索阶段。近年来, 随着人工智能的普及与推广, 机器学习这项基于传统人工神经网络的技术被国内外研究者所重视。机器学习等数据科学的最新进展为科学和工程界提供了灵活而快速的预测框架, 在材料研发等方面显示出巨大的应用前景。本工作总结了采用机器学习方法用于固态氧化物燃料电池、锂电池、CO2电化学还原催化剂的最新进展, 并对未来的发展方向提出了若干建议。
数据科学 机器学习 绿色能源 固态氧化物燃料电池 锂电池 二氧化碳电化学还原催化剂 data science machine learning renewable energy solid oxide fuel cells lithium batteries carbon dioxide electrochemical reduction catalysts
1 苏州科技大学化学与生命科学学院, 江苏苏州 215009
2 天津大学化工学院, 天津 300072
3 芬兰阿尔托大学化工学院, 芬兰赫尔辛基 00076
金属纳米颗粒的原位析出提供了高含量和均匀分布的金属纳米催化剂, 并且无需复杂的合成过程。为在固体氧化物燃料电池(SOFC)的实际电极中实施这一策略, 本工作用 Pechini法制备了一系列不同含量 Ni掺杂的 Sm0.20NixCe0.80-xO2-δ (SNDC)阳极材料, 并通过还原处理形成具有 Ni纳米颗粒出溶的 SOFC阳极材料。采用 SNDC15为阳极时, 电解质支撑的单电池输出性能最高, 在 700℃以氢气和甲醇为燃料时单电池最大功率密度分别为 1.26 W/cm2和 1.48 W/cm2。此外, 小尺寸的 Ni颗粒与氧化物载体之间有强相互作用, 有效抑制了积碳的生长。单电池在 700℃甲醇为燃料时能稳定运行 10 h以上。
固体氧化物燃料电池 阳极 原位析出 掺杂氧化铈 甲醇燃料 solid oxide fuel cells anode in situ exsolution doped-ceria methanol fuel
1 中国矿业大学材料与物理学院，江苏 徐州 221116
2 中国矿业大学化工学院，江苏 徐州 2211161
通过改进的自蔓延燃烧法合成制备高熵双钙钛矿SmBa(Mn0.2Fe0.2Co0.2Ni0.2Cu0.2)2O5+δ (HE-SBC)阴极材料，并复合10%(摩尔分数)Gd2O3掺杂CeO2(GDC)以优化性能。结果表明：通过B位高熵的方法可以显著减小Co离子由价态变化而引起的热膨胀，从而降低SmBaCo2O5+δ 的热膨胀系数。在800 ℃，以氧化钇稳定氧化锆(YSZ)为电解质的HE-SBC对称电池的极化阻抗(Rp)为1.04 Ω·cm2，阳极支撑单电池的最高功率密度和Rp分别为683.53 mW/cm2和0.46 Ω·cm2。进一步通过复合GDC (HE-SBC与GDC的质量比7:3)以增加三相界面提高HE-SBC的催化活性，在800 ℃ HE-SBC-GDC复合阴极对称电池的极化阻抗仅为0.09 Ω·cm2，且阳极支撑单电池的最高功率密度和Rp分别为838.66 mW/cm2和0.12 Ω·cm2。
固体氧化物燃料电池 双钙钛矿 高熵氧化物 复合电极 solid oxide fuel cells double perovskite high-entropy oxide composite electrode
1 中国科学院 上海硅酸盐研究所, 能量转换材料重点实验室, 上海 200050
2 中国科学院大学, 北京 100049
本研究利用固相反应法合成了一系列镧取代LaxSr2-3x/2Fe1.5Ni0.1Mo0.4O6-δ (LaxSFNM, x=0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4)钙钛矿陶瓷材料, 并研究其作为固体氧化物燃料电池阳极的电化学性能。X射线衍射(XRD)测试表明合成的粉末具有立方钙钛矿结构。在高温下利用氢气还原LaxSFNM样品, 发现其晶粒表面析出纳米尺度的Fe-Ni合金颗粒, 并且偏析纳米颗粒的密度随着La 3+掺杂量的增加而显著降低。在对称电池阻抗测试中, 随着La 3+掺杂量的增加, 阳极极化阻抗逐渐降低, 掺入量为0.3时阻抗达到最小值。La0.3SFNM对称电池在750 ℃下极化阻抗仅为0.16 W·cm 2, 进一步增加掺杂量时, La0.4SFNM对称电池极化阻抗增加至0.17 W·cm 2。La0.3SFNM材料良好的电极反应催化活性源于适当分布的Fe-Ni合金纳米偏析颗粒与LaxSFNM陶瓷基体的共同作用。利用流延法制备一系列以LaxSFNM为阳极、SmBa0.5Sr0.5Co2O6为阴极、LSGM为电解质的单电池, 使用氢气作为燃料时, La 3+掺杂量x=0.3的单电池表现出最高的功率密度, 在750、650和550 ℃时峰值功率密度可达1.26、0.90和0.52 W·cm -2。上述结果表明, La0.3Sr1.55Fe1.5Ni0.1Mo0.4O6-δ可以用作高性能SOFC阳极催化剂。
固体氧化物燃料电池 阳极材料 高温原位脱溶 Solid Oxide Fuel Cells anode materials in-situ exsolution
