固体氧化物燃料电池是一种转换效率高、排放低、具有零噪声优势的能量转换装置，但它的商业化发展面临一个“拦路虎”：热机械不稳定性——电池在热循环中容易开裂、分层、破损。对此，南京工业大学固态离子与新能源技术团队提出了一种热膨胀补偿策略，实现了燃料电池阴极与其他电池组件之间的完全热机械兼容，从而解决了阻碍固体氧化物燃料电池商业化进程的一大技术难题。相关成果近日发表于《自然》。
　　固体氧化物燃料电池需要在高温下运行，而燃料电池不同组件之间的热膨胀行为不匹配，会引起较大的内部应变梯度——在不同的位置应力不一样，导致电池退化、分层或破裂。南京工业大学教授周嵬介绍，由于具有出色的氧化还原催化活性和高电导率，燃料电池最受欢迎的阴极材料是含钴的钙钛矿氧化物。然而，钴基钙钛矿阴极的问题在于，它们的热膨胀系数非常高，远远大于常用的电解质，导致热机械不兼容。
　　鉴于此，南京工业大学教授邵宗平和周嵬团队设计了热膨胀补偿策略来克服上述技术瓶颈，通过固相烧结将具有高电化学活性和热膨胀系数的钴基钙钛矿与负热膨胀材料（Y2W3O12氧化物）结合，在两者之间引发有益的界面反应，从而形成具有与电解质良好匹配的热膨胀性能的复合电极。
　　“热膨胀补偿策略是指用负的热膨胀去抵消正的热膨胀。我们日常生活中所见的物体一般都是热胀冷缩的，而所谓负热膨胀材料却正好相反，它是‘热缩冷胀’的。”论文第一作者、南京工业大学博士章远解释道。
　　优化的钙钛矿化学组成和良好的热机械稳定性，使这种复合阴极具有出色的电化学性能。该研究为未来的固体氧化物燃料电池的电极设计开辟了一条崭新路径。
　　相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-021-03264-1