中国研究人员提出新质子传导电解质设计原理 可用于固态氧化物燃料电池

据外媒报道，上海交通大学密西根学院（UM-SJTU JI）陈倩栎教授及其合作者提出一种新设计原理，将具有高质子电导率的钙钛矿材料，用作固态氧化物燃料电池的电解质材料。

（图片来源：上海交通大学）

固态氧化物燃料电池是一种电化学装置，将氢气、天然气等燃料，从化学能直接转化为电能。同时，具有能量转换效率高、清洁环保等优点。然而，目前，固态氧化物燃料电池的工作温度普遍较高，约为700-1000°C，这对电池组件材料的耐高温性提出了严格的要求。

使用质子导电陶瓷，作为燃料电池的电解质材料，有望将运行温度降至450-700°C，大大降低生产成本。然而，其质子导电率需要进一步提高，以实现此类中等温度燃料电池的商业化。研究人员认为，可以通过调整晶格振动频率，实现理想的等动力学温度，从而提高质子在低温下的质子导电率。

质子扩散需要克服被称做活化能的能量势垒。总的来说，为了提高质子导电率，应该降低活化能。研究人员发现，质子导电率遵循凝聚态原子扩散动力学的Meyer-Neldel规则。当活化能降低时，电导率公式中的指前因子相应减小，从而阻止提高电导率。研究人员进一步发现，当改变材料结构以引起活化能变化时，不同活化能的电导率曲线在一个等动力温度下相交，而质子电导率与活化能无关，只与材料的固有性质有关。研究人员从等动力温度与材料结构的关系出发，提出通过调整材料结构来实现理想的等动力温度，可以很好地提高低温下的质子电导率。

研究人员表示：“作为中温陶瓷电化学电池的质子传导电解质，钙钛矿型金属氧化物已经引起广泛关注，例如Y掺杂BaMO 3（M = Zr/Ce）。在较低温度下提高质子传导率，需要全面了解质子传导机制。通过施加高压或改变Y掺杂BaMO 3中的Ce含量，可以发现其质子电导率符合Meyer-Neldel规则（MNR）。在阿瑞尼氏图（Arrhenius plot）中，电导率在等动力温度下相交，其中质子电导率与活化能无关。考虑到等动力温度和晶格振动频率之间的关系，在具有硬晶格、由轻原子和小M-O键长组成的材料中，可以观察到高等动力温度。基于对MNR的考虑，建议调整晶格振动频率，以实现所需的等动力温度，从而明显提高低温下的质子电导率。”

通过揭示晶格振动与质子传导率之间的关系，研究人员提出了具有高质子传导率的新型钙钛矿材料的设计原则。