CRC丨【东北大学陈刚课题组】电解质与锂化合物之间的化学反应对陶瓷燃料电池电化学性能的影响
近日，东北大学陈刚课题组在Carbon Resources Conversion期刊上发表题为“Effect of chemical reactions between electrolyte and lithium compounds on the electrochemical performance of the ceramic fuel cells”的文章。
研 究 背 景
固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种在中高温（>400℃）运行的且能够以H2、NH3、CH4和C等能量载体为燃料的能量转化装置，具有燃料适用范围广、综合转化效率高（发电效率 40%～65%，综合能效≥90%）等优点，是实现化石能源清洁利用、达成碳中和目标的关键技术。降低SOFC的运行温度至600 ℃以下、同时保证电池具有良好的发电性能和低廉的制造成本是实现SOFC大规模商业化最有前景的技术路线之一。但是，降低SOFC的运行温度就会遇到由于电解质材料离子电导率显著降低以及电极材料催化活性变差等引起的电池电化学性能显著降低的问题。近年来，一种新型的以锂化合物，如：LiNiO2或Ni0.8Co0.15Al0.05LiO2-δ （NCAL）等为电极，陶瓷氧化物Ce0.9Gd0.1O2-δ（GDC）、SrTiO3（STO）或BaZr0.9Y0.1O2.95（BZY）等为电解质的对称电极陶瓷燃料电池在550℃时的最大功率密度均超过500 mW·cm-2，电解质的离子电导率可以达到0.221～0.476 S·cm-1。陈刚课题组研究发现NCAL阳极在电池运行温度下被 H2还原为Ni、LiOH、Li2CO3和少量含Al的氧化物。LiOH和Li2CO3混合物在化学势差的驱动下扩散进入到氧化物电解质并形成了“氧化物-锂化合物熔盐”的复合电解质。“氧化物-熔盐”复合电解质的形成可能是NCAL电极陶瓷燃料电池的电解质在450~550℃具有非常高离子电导率的主要原因。
研究结果及意义
当前，关于这种新型锂化合物电极陶瓷燃料电池的研究报道主要集中在其工作机理以及新型电池材料的开发方面，研究目标以追求高输出功率居多，关于其长期稳定性方面的报道较少，部分文献报道了一些电池在几十小时内的稳定性数据，但对电池性能的衰减机理没有进行深入探究。
图1: 分别以CeO2、TiO2、ZrO2和YSZ为电解质的电池在550 ℃的开路电压随时间的变化曲线
本文研究发现，氧化物电解质材料和LiOH/Li2CO3之间的化学反应会对电池的开路电压和电性能的稳定性造成很大影响。图1是分别以CeO2、TiO2、ZrO2和YSZ等材料为电解质时制备的陶瓷燃料电池的开路电压随时间的变化曲线。研究发现TiO2、ZrO2和YSZ等材料会和LiOH/Li2CO3发生化学反应并生成Li2TiO3和Li2ZrO3等物质，从而导致电解质内部的LiOH/Li2CO3等熔盐物质被消耗（如图2所示），造成电解质电导率显著降低、电池内部气密性变差等问题，从而使得电池性能和开路电压都显著降低。
图2: 电池内部材料间化学反应引起性能衰减示意图
本文对这种新型锂化合物陶瓷燃料电池性能及其稳定性衰减的机理提供了证据和理论依据，对如何提高电池的稳定性提供了思路。在未来的研究中要选择与NCAL电极以及LiOH/Li2CO3熔盐具有良好化学相容性的材料作为电解质。同时，本文发现TiO2作为电解质的电池虽性能很差，但开路电压却远远高于其他氧化物电解质电池，对该现象的进一步探究对提升电池性能及稳定性可能会有一定的积极意义。
文
章
信
息
文章名称
Effect of chemical reactions between electrolyte and lithium compounds on the electrochemical performance of the ceramic fuel cells
研究团队
Ruixin Dai，Gang Chen，Kai Wei，Zhuo Chen，Xiaohong Lv，Guoqiang Liu，Ying Li，Shujiang Geng
第一作者及通讯作者简介：
第一作者：戴瑞鑫
硕士研究生
主要研究方向：
锂化合物电极陶瓷燃料电池，阴极支撑固体氧化物燃料电池
合作发表SCI论文5篇
通讯作者：陈刚
东北大学冶金学院，特聘研究员，博导
主要研究方向：
长期从事固体氧化物燃料电池（SOFC）相关研究工作
学术成就及奖项：
以第一作者和通讯作者在J. Mater. Chem. A、ACS Appl. Mater. Inter.和 J. Power Sources等期刊发表论文30余篇
以共同作者在Nature commun. 和ACS Energy Lett.等期刊发表论文30余篇
授权中国发明专利3项
获得2020年辽宁省优秀硕士论文指导教师奖
指导学生分别获得2018、2020和2021年东北大学优秀硕士学位论文奖
主持的研究项目：
国家自然科学基金面上项目一项
青年基金一项
辽宁省基金面上项目一项
教育部基本科研业务费种子项目两项
作为研究骨干参与了日本-美国清洁能源技术基金和日本学术振兴会基金等科研项目
目前担任
中国能源研究会燃料电池专业委员会委员
中国能源学会新能源专家委员会委员
期刊Carbon Resources Conversion和期刊Energies编委
文章路径
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期
刊
介
绍
Carbon Resources Conversion (CRC) 是一本专注于碳资源转换的国际学术期刊。
沈阳化工大学校长许光文教授和希腊雅典农业大学食品科学与人类营养学系Seraphim Papanikolaou教授担任主编。
期刊自2018年创刊以来，致力于推广碳资源基础研究和工业发展方向的优质学术文章，主要发表包括化石资源、生物质、有机废弃物、碳基平台化合物等各种碳资源清洁、高效、增值、低碳利用相关的基础研究和工业开发成果。期刊编委成员包括来自中国、美国、英国、法国、日本、韩国等多个国家的知名学者。
目前，期刊入选2021年中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊项目，2021年CiteScore达到9.5
同时被EI Compendex、DOAJ、INSPEC、Scopus等重要数据库收录。
主
编
介
绍
主编：许光文 教授
博士生导师
沈阳化工大学学科开创人之一
资源与化工教育部重点实验室主任、校长
学术成就及荣誉：
在Applied Catalysis B、AIChE J.、Chem. Eng. J.、Chem. Eng. Sci.、Applied Energy、Environ. Sci. Technol.、Bioresource Technol.，以及《中国科学》《化工学报》等期刊发表论文390余篇
中科院“百人计划”入选者
“十三五”国家重点研发计划煤炭清洁利用与先进节能技术重点专项总体专家组专家
国家973计划项目首席科学家
“十二五”国家863计划先进能源技术领域洁净煤技术主题专家组专家
首批国家黄大年式教师团队
主编：
Seraphim Papanikolaou 教授
微生物技术领域专家
希腊雅典农业大学食品科学与人类营养学系
主要研究领域：
发酵生物技术
农业工业废弃物和残留物的生物技术定量化
由酵母、真菌和细菌合成的微生物代谢化合物的生产
学术成就：
发表同行评议文章140篇
会议文章140余篇
完成专著章节11篇
为超过120本学术期刊审稿
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科爱出版