研究人员通过减少镍含量 改善陶瓷燃料电池的稳定性和性能

据外媒报道，韩国研究小组发明出一种高稳定性、高性能的陶瓷燃料电池，其镍含量非常低，仅为传统陶瓷燃料电池的1/20。由于频繁启动会带来诸多问题，目前，陶瓷燃料电池仅应用于大型发电站，但有望拓展至新领域，如电动汽车、机器人和无人机。

低温聚合物电解质燃料电池通常使用的铂催化剂非常昂贵，与之相反，以陶瓷燃料电池为代表的高温燃料电池，通常在800°C或更高的温度下运行，使用镍等价格低廉的催化剂，而镍的体积约占电池阳极的40％。但由于镍在高温下容易成块，陶瓷燃料电池在停止-启动的氧化还原过程中会发生不可控的膨胀，从而破坏整个陶瓷燃料电池结构。因此陶瓷燃料电池无法为需要频繁启动的应用供电。

（图片来源：Acta Materialia）

为解决这一问题，能源材料研究中心的Ji-Won Son博士与韩国科学技术院（KAIST）的Seung Min Han教授共同开发出一种新的阳极概念，通过减少阳极镍催化剂的用量和大小，抑制由还原-氧化循坏导致的电池性能退化，而还原-氧化反应是导致陶瓷燃料电池退化的主要原因。镍的用量减少会使得阳极中的镍颗粒保持距离。为了补偿减少的镍催化剂用量，研究人员在阳极结构中使用薄膜沉积工艺，将镍纳米颗粒均匀地分布在整个陶瓷基体中，从而大幅增加镍的表面积。常规的陶瓷燃料电池循环不到20次后就会失效，与之相比，采用新型阳极的陶瓷燃料电池经过100多次还原氧化循环后，电池依然显示无退化且性能保持良好。此外，尽管镍含量大幅降低，但与常规电池相比，新型阳极陶瓷燃料电池的功率输出提高了1.5倍。

Ji-Won Son博士表示：“基于对还原-氧化失效的理解，从设计到实现，再到评估，我们对新型阳极燃料电池的每个阶段都进行了系统的研究。其中，还原-氧化反应是造成陶瓷燃料电池的破坏的主要原因。”Son博士表示：“除发电厂外，新型阳极陶瓷燃料电池在其他领域也拥有无限潜力，如出行领域。”