中國粉體網訊 隨著“雙碳”目標的提出，氫能與燃料電池技術迎來了快速發展的契機，而可以實現氫能和現有化石燃料清潔高效利用的固體氧化物燃料電池，與我國現有能源供應系統兼容，未來前景十分廣闊。
作為第三代燃料電池，固體氧化物燃料電池有發電效率高、壽命長、成本低、燃料適應性廣等突出優點，可以應用在分布式發電與固定電站、家用熱電連供、便攜式電源、車用輔助電源和增程器等領域。
SOFC主要由多孔的電極材料、致密的電解質和連接材料組成，其關鍵材料決定了電池的功率密度和使用壽命。
由于SOFC的反應原料是氣體，且反應在電池內部發生，因此要求電池結構中電極部分為多孔材料，以提供充足的氣體傳輸通道和反應界面。同時SOFC在運行時需要較高的工作溫度，這就要求電極材料熱膨脹系數與電解質材料和連接材料相近，同時兼具良好的化學穩定性和抗腐蝕性能。
陽極材料
陽極材料是SOFC主要的催化反應場所之一。SOFC的陽極區需要進行H2的催化反應，運行過程中H+與O2-結合并將反應過程中釋放的e-傳遞到外電路中，因此SOFC陽極材料要求:
(1)良好的催化活性。
(2)離子電導性與電子電導性較好。
(3)還原氣氛下足夠穩定。
(4)與電解質材料熱膨脹系數匹配，避免運行高溫條件下因膨脹應力出現電池材料開裂現象，致電池性能降低。
(5)具有良好的化學穩定性與高化學兼容性。
(6)具有合適的孔隙率，維持電池運行時的多孔性，為反應界面提供充足的燃料氣體。
廣義上講，高電子導電性的材料均可應用于陽極，Ni、Fe、Ag、Pt、Co等都被制成陽極材料。然而由于穩定性、制造成本品貴和匹配問題而被限制。
Ni基金屬陶瓷陽極材料
由于Ni具有電子導電性能較高、催化活性良好、化學穩定性高以及成本低廉的特性，成為了SOFC陽極材料的普遍選擇。但Ni的熱膨脹系數無法匹配電解質材料，電池運行時會出現硫中毒、碳沉積和Ni氧化現象的問題限制了其在陽極的應用。為解決這些問題，研究者向Ni中添加電解質相，制成Ni/電解質金屬陶瓷陽極材料。
Cu基金屬陶瓷陽極材料
Cu等其他具有良好的導電性與化學穩定的金屬制作陽極材料解決積碳問題。Cu對C-H鍵催化活性較低，能夠有效緩解碳沉積現象，但Cu基陶瓷陽極材料對硫中毒和水蒸氣氧化現象和抗熱震性問題并無緩解。
ABO3型鈣鈦礦陽極材料
ABO3型鈣鈦礦結構的A位為堿土金屬元素或者稀土元素，B位為過渡金屬元素。通過在A、B位摻雜低價陽離子改變材料內部結構，增加氧空位濃度，促進氧離子在材料內部移動，提高材料離子電導性，同時改變摻雜的參比，可以調控材料的結構與催化性能。目前以LaSrO3-δ與SrTiO3-δ基鈣鈦礦為典型的鈣鈦礦型陽極材料，常用摻雜元素主要有Mn、Fe、Ni、Ru、Co、Ti和V等。
陰極材料
陰極材料主要為O2提供反應場所，主要功能為吸附催化O2還原成O2-，隨后O2-通過電解質傳遞到陽極進行電化學反應。通常SOFC陰極材料要求:
(1)具有良好的反應催化活性。
(2)離子電導性與電子電導性較好，接受電子同時使氧氣在陰極中被高效催化。
(3)在氧化氣氛下擁有較好的穩定性。
(4)與電解質材料和連接體材料有近似的TEC，避免在電池運行的高溫條件下受到膨脹應力產生電池材料開裂導致電池性能失效。
(5)具有良好的化學穩定性和高化學兼容性。
(6)具有合適的孔率，確保電池運行時也能保持多孔性，能夠為反應界面提供充足的反應氣體。
(7)具有成本效益。
目前合適的陰極材料選擇主要為鈣鈦礦結構、雙鈣鈦礦結構與Ruddlesden-Popper相復合材料(R-P結構)。
鈣鈦礦結構陰極材料
理想ABO3鈣鈦礦型氧化物的晶體結構
目前，ABO3結構氧化物是陰極材料中最普遍、最常見的結構類型。目前，錳酸鑭鍶(LSM)是較為經典的SOFC陰極材料，主要應用于高溫SOFC中。
雙鈣鈦礦結構陰極材料
雙鈣鈦礦結構
雙鈣鈦礦結構陰極材料是通過在雙鈣鈦礦A2B2O6中的A位或B位進行元素摻雜制備而成的。目前LnBaCo2O5+δ(LBCO，Ln=La，Pr，Nd，Y，Gd，Sm)是A位摻雜雙鈣鈦礦結構陰極材料中研究較多的結構。
B位摻雜時會發生離子變價或產生氧空位保持電中性，從而產生離子電導性。Sr2Fe1.5Mo0.5O6-δ(SFM)是一種結構穩定、TEC匹配、擁有高電導率和氧化還原催化活性等特性的先進SOFC陰極材料。
Ruddlesden-Popper相復合材料
(R-P)型材料晶體結構
Ruddlesden-Popper(R-P)型材料是結構通式為An+1BnO3n+1的類鈣鈦礦結構，由于 Ln2NiO4(Ln=La，Pr，Nd)離子電導率、表面氧交換系數以及體擴散系數較高，TEC與常用電解質相近，是目前研究廣泛的R-P陰極材料。
電解質
電解質是SOFC的核心材料，其主要功能為傳導離子，在陽極與陰極中形成通路。電解質的性質（電導率、穩定性、熱膨脹系數、致密化程度、厚度等）直接影響電池的工作溫度和轉換效率，并決定所匹配的電極材料及制備技術。SOFC對電解質有以下要求：
(1)具有高的離子電導率、低的電子電導率。
(2)在高溫下的氧化、還原氣氛中，結構、尺寸、形貌等具有良好的穩定性。
(3)在制備和運行條件下與電池其他組件具有化學相容性，不發生界面擴散。
(4)從室溫到運行溫度下與電池其它組件熱膨脹系數相匹配。
(5)具有高致密度和足夠的機械強度，從室溫到電池的運行溫度，電解質材料必須保證燃料氣體和空氣不發生串氣，在電池制備和運行條件下不會開裂。
常見的SOFC電解質材料有ZrO2基電解質、CeO2基電解質、Bi2O3基電解質和鈣鈦礦結構的電解質等。
ZrO2基電解質
ZrO2基電解質是中高溫運行溫度下研究最早、最廣泛且研究最深入的一類材料。目前在運行溫度800~1000℃范圍內使用廣泛，擁有良好的化學穩定性和氧離子電導性，但純ZrO2的氧離子電導率較低，不符合電解質材料的使用要求。目前常見的ZrO2基電解質是Y2O3的ZrO2體系，在ZrO2中摻雜Y2O3金屬離子的時候，Zr4+的點陣位置會被Y3+占據，同時產生了氧空位，有利于氧離子的傳導。
CeO2基電解質
CeO2螢石結構示意圖
CeO2與ZrO2同為螢石結構，在相同的溫度下，CeO2基電解質電導率比YSZ要高出1~2個數量級，在600℃左右的溫度下就能達到較為理想的離子電導率。但純CeO2氧離子電導率較低，要想改善純CeO2電導率低，可以對其進行摻雜(二價或三價金屬氧化物)，摻雜后的化合物具有較低的導電活化能以及較高的電導率,可以作為電解質材料去使用。
Bi2O3基電解質
Bi2O3是目前發現的自然界中離子電導率最高的氧離子導體，但是Bi2O3在不同的溫度和條件下會呈現出α、β、γ和δ主要不同的晶體結構。在δ-Bi2O3中摻雜適量的三價稀土氧化物可以形成固溶體，能夠有效提高δ-Bi2O3穩定性，同時提高電導率。
鈣鈦礦結構電解質
ABO3型鈣鈦礦結構穩定，通過在A位與B位陽離子摻雜調整制備的材料不同性質:離子導電、電子導電和絕緣性能，匹配電解質材料高離子電導與低電子電導的需求。LaGaO3基材料表現出高氧離子電導性能，是研究最多的鈣鈦礦結構電解質材料。
小結
SOFC作為21世紀綠色能源，其電極材料與電解質材料的開發利用取得了一定的進展，但如何解決SOFC的陽極材料中的碳沉積和硫中毒問題、如何優化陰極鈣鈦礦材料的穩定性及熱膨脹系數和如何對已有電解質的摻雜改性的難題依然存在。尋找適合的SOFC關鍵材料依然是研究者在前進方向上的重大挑戰。
參考來源：
1.李靜、劉阿鵬《固體氧化物燃料電池材料的研究進展》
2.常春等《固體氧化物燃料電池陰極材料的研究進展》
3.毛翔鵬等《固體氧化物燃料電池材料發展現狀》
4.孫楊等《固體氧化物燃料電池電解質發展現狀》
（中國粉體網編輯整理/喬木）
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