研究背景

从18世纪起，第一次工业革命爆发，化石能源的大量开发利用使工业蓬勃发展，人类社会进入了工业时代。但是随着煤炭、石油能源的大量使用，其带来的污染对环境造成了严重的损害。另一方面，世界能源消耗剧增，能源储备急剧降低。因此，能源问题是各个国家亟待解决的难题，人们都在寻找高效、节约的可替代石油的能源。

固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种高效的发电设备，其具有长期耐用性和持续稳定性的特点，被誉为21世纪最具前景的绿色发电系统，在固定式发电、分布式发电、UPS电源等方面有着广阔的应用前景。然而，SOFC技术广泛商业化仍然受到限制，原因是系统成本高。除了改善电池组的生产路线和效率外，通过实现更高的功率密度来提高性能已被确定为减少电池组尺寸和系统成本的措施。为此，脉冲激光沉积 (PLD) 等先进的薄膜技术已被用于制造可替代、高性能的阴极材料。但是目前的研究大多关注在初始性能，而忽视了长期稳定性，这被认为是阻碍薄膜阴极在实际电池应用中的关键问题之一。因此，寿命与效率这一共性问题，是目前研究的热点。

研究成果

为了定制一种良好的纳米复合结构，使其保持良好的性能的同时，也可以保存活性位点，即在高温下也能进行氧还原，日本茨城筑波国立先进工业科学技术研究所 (AIST) 全球零排放研究中心的Katherine Develos-Bagarinao课题组提出了高性能薄膜阴极的创新概念，包括纳米多孔La_0.6Sr_0.4CoO_3-δ阴极以及高度有序的自组装纳米复合材料 La_0.6Sr_0.4Co_0.2Fe_0.8O_3-δ（镧锶钴铁氧体）和使用脉冲激光沉积制备的 Ce_0.9Gd_0.1O_2-δ（钆掺杂的氧化铈）阴极层。作者将纳米工程阴极层集成到传统的阳极支撑电池中，发现其能够在0.7V下实现高电流密度，在650°C和700°C下分别达到~2.2和~4.7A/cm²。结果表明，通过有效的纳米工程方法调整材料特性可以显著提高阴极的电化学性能，从而开发具有高功率输出的下一代SOFC提供前提。该成果以“Nanoengineering of cathode layers for solid oxide fuel cells to achieve superior power densities”为题发表在《Nature Communications》上。

期刊速递

图1 LSCF-GDC纳米复合薄膜的微观结构和相分布

图2 LSCF-GDC纳米复合薄膜的相识别

LSCF-GDC纳米复合薄膜在纳米尺度上是高度有序和自组装的。纳米复合膜由数十纳米数量级的颗粒区域组成，每个域似乎都包含交替排列的LSCF和GDC纳米带，每个单独的颗粒域中宽度在2-5 nm范围内。假设各个相在约300纳米的厚度内均匀分布在约5纳米的区域中，相比相同单位面积的基线样品，这种独特的自组装微结构有效地将阴极/电解质界面面积密度提高了100倍或更多，其中唯一的界面存在于包含纯 LSCF 层和 GDC 电解质的两个相邻层之间。

图3 纳米多孔 LSC 薄膜的微观结构评估

图4 区域特异性电阻 (ASR) 的阿伦尼乌斯图

为了在阴极表面发生氧还原反应，阴极结构必须具有足够的多孔性以满足透气性要求。与具有致密结构的LSCF-GDC 纳米复合材料不同，LSC薄膜由纳米多孔团聚体组成，这些团聚体由开孔或纳米通道隔开。纳米多孔LSC薄膜在空气中在700°C下退火1小时后，变成了簇状纳米柱，这是由于高温烧结引起的典型晶粒粗化行为。但是，其仍然保持较高的孔隙率和比表面积，因此可以良好地进行氧化还原反应。此外，LSCF-GDC纳米复合材料+纳米多孔 LSC）的样品表现出最低的ASR值，表明这两种类型的层的有效复合导致了优异的阴极性能。

图5 纳米工程电池结构和制造电池的微观结构评估

本研究评估了三种不同的电池的性能，从而探讨单个阴极层对其电化学性能的影响。结果表明，与结合纳米多孔 LSC 相比，单独使用 LSCF-GDC 纳米复合材料层不足以提高最大功率密度，而且，在所有评估温度下，它在样品中表现出最低的性能。在所有温度下，单独的纳米多孔LSC层比单独的LSCF-GDC纳米复合材料表现出更好的性能。并且，两层的组合在任何温度下都能在电池中产生最佳性能和最高最大功率输出。这些结果表明，通过有效地结合纳米多孔LSC和LSCF-GDC纳米复合材料作为电池结构中的阴极层，可以获得最佳的阴极性能。

结论与展望

综上，本研究开发了一种包含纳米多孔 LSC 薄膜和自组装 LSCF-GDC 纳米复合材料的高性能纳米工程阴极。该纳米工程阴极的电池与目前已报道的电池相比，性能有了明显的提高：在 0.7 V 的高电流密度方面表现出优异的电池性能，可实现在650°C和700°C下~2.2和~4.7 A/cm2的高电流密度。目前，科学家们正在进行进一步的工作以微调电池架构，优化制造工艺，并探索影响电池长期性能稳定性的因素，有望为下一代SOFC的应用铺平道路。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-24255-w

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