2024 年固体氧化物电池领域顶刊文献推荐

科技   2025-01-17 11:32   浙江  

固体氧化物电池(SOCs)是一种先进的能源转换与存储技术,它能够在高温条件下高效地将化学能直接转化为电能(在固体氧化物燃料电池 SOFCs 模式下)或将电能和热能转化为化学能(在固体氧化物电解池 SOECs 模式下)。SOCs 采用全固态结构,避免了液态电解质可能带来的腐蚀和渗漏问题,同时其燃料适应性强,可以使用多种燃料,包括氢气、天然气等,这使得 SOCs 在能源利用方面具有高度的灵活性和适应性。此外,SOCs 在运行过程中排放物较少,有助于减少温室气体排放,实现环境友好型能源利用。尽管 SOCs 的商业化进程仍面临一些挑战,如可靠性、寿命和成本等问题,但随着技术的不断进步和成本的逐步降低,SOCs 的应用前景依然广阔,有望成为未来能源系统中的重要组成部分。

以下是对 2024 年SOCs领域顶刊文献的推荐,内容聚焦于质子导体电解质电池和氧离子导体电解质电池两大方面(点击蓝色标题即可跳转至相关推文,参考文献位于图下方):


质子导体电解质电池:

1、山西大学 AFM:Sr3B2O6-SryTi0.6Fe0.4O3-δ 作为质子陶瓷电解池的阴极合成氨研究

开发了一种高效的电化学氮还原反应(e-NRR)催化剂,用于环保型氨合成。通过合成协同复合催化剂 Sr(Ti0.6Fe0.4)0.8B0.2O3-δ[S(TF)B0.2],实现了抑制竞争性析氢反应(HER)并提升氨合成效率的目标。

不同工作条件下电池的氨合成速率和FE

Ref. https://doi.org/10.1002/adfm.202418404

2、科廷大学 EES:首次观察钙钛矿型电解质的电极相关质子电导率及其优化方法

首次证明,质子导电钙钛矿 BZCY 的质子电导率实际上受电极性能的影响,并且与空气电极的水合作用能力直接相关。

电极材料中质子吸收的分布

Ref. https://doi.org/10.1039/D4EE00688G

3、佐治亚理工学院 EES:数据驱动的质子陶瓷电池电极材料的发现

利用高通量计算和数据驱动的分解分析预测了 4455 种不同钙钛矿氧化物对应用至关重要的关键特性,包括它们的热力学稳定性和分解趋势,从而筛选出了一种性能优异的电极材料 PrBaCo1.9Hf0.1O5+δ

高通量 DFT 计算加速筛选材料的热力学稳定性

Ref. https://doi.org/10.1039/D4EE03762F

4、华南理工大学 AM:一种高效的三功能尖晶石基电极,用于质子陶瓷电化学电池上的氧还原/析出和非氧化乙烷脱氢

开发出了一种三功能尖晶石基电极 MCCO-CO,由 Mn0.9Cs0.1Co2O4-δ 和 Co3O4(质量比为 8:2)组成,可在 PCEC 中实现高效的氧还原/析出反应和非氧化性乙烷脱氢。

MCCO-CO 电池用于乙烷非氧化脱氢的性能

Ref. https://doi.org/10.1002/adma.202408044

5、南华大学 AFM:具有 TEC 梯度的自组装 PCFC 复合阴极

将 PrBa(Co0.7Fe0.3)2O5-δ (PBCF) 与负热膨胀材料 Y2W3O12 (YWO) 进行共烧结,成功开发出了一种具有 TEC 梯度的阴极。这一优化使得复合阴极的 TEC 显著降低,并与电解质的 TEC 变得非常接近,TEC 的匹配显著增强了电池与电解质界面的结合力,进而在 700°C时实现了较低的欧姆电阻和较高的功率密度。

复合阴极的热膨胀性能分析

Ref. https://doi.org/10.1002/adfm.202416625

6、香港理工大学 AM:本体和表面工程的协同优化实现快速耐用的 R-PCEC 空气电极

通过同时修饰体相金属-氧键(M-O)和原位表面生成金属氧化物纳米催化剂,成功合成了一种新型双功能空气电极材料 N-BCFZYNF。研究结果显示,通过协同优化体相和表面改性,显著改善了氧和质子相互作用的电化学环境,具体表现为氧的吸附/解吸过程以及水合速率的明显提升,同时增强了氧离子和质子在材料表面及体相中的传输效率。

R-PCEC 空气电极的电化学性能

Ref. https://doi.org/10.1002/adma.202403998

7、韩国成均馆大学 AEM:界面工程实现 500°C 以下可逆质子陶瓷电化学电池的运行

在电极和电解质之间引入 PBSCF 和 BZCYYb 单晶复合夹层,不仅显著扩展了电极与电解质之间的接触界面,还增加了异质界面上垂直排列的氧空位浓度,从而优化了电荷传输路径。这种独特设计实现了固体电解质电解池中迄今为止最低的欧姆电阻和极化电阻。

PBSCF/BZCYYb 复合夹层的结构

Ref. https://doi.org/10.1002/aenm.202400124

8、中国科学院上海硅酸盐研究所 AEM:使用管状空气电极支持的质子陶瓷电解池的蓄热式抗焦化 CO2 加氢反应器

制造了一种大面积(约10平方厘米)的管状空气电极支撑的质子陶瓷电解池(AES-PCEC),并开发了一种创新的燃料电极再生策略以提升 CO2 加氢过程的效率和耐用性。AES-PCEC 在 650°C 时显示出 2.88 mL/min 的 CO 产量,同时,得益于坚固而薄的燃料电极结构以及水介导的碳去除再生机制,AES-PCEC 在连续运行超过 1100 小时后,依然能够保持出色的稳定性。进一步结合DFT计算证实了 BaCe0.4Zr0.4Y0.1Yb0.1O3-σ 优异的水合解离能力促进的再生机理。

基于管状 AES-PCEC 的 CO2 加氢反应器示意图

Ref. https://doi.org/10.1002/aenm.202402208

9、韩国科学技术院 AEM:双金属掺杂 BaCoO3−δ 钙钛矿作为质子陶瓷电化学电池高活性氧电极的作用

开发了一种新型的 Sc、Ta 双金属掺杂的 BaCoO3−δ (BCO)  钙钛矿材料作为 PCEC 应用的双功能氧电极。双金属掺杂有效地将 BCO 的六方钙钛矿对称性转变为立方钙钛矿。DFT 和 FPMD 计算表明,Sc、Ta 掺杂到 BCO 晶格中促进了水合能力和质子体相扩散路径的形成。采用 BaSc0.1Ta0.1Co0.8O3−δ 氧电极的 PCEC 在 FC( 650°C 时为 3.15 W/cm2)和 EC ( 650°C 时为 4.21 A/cm2)模式下均取得了显著突破,并具有出色的长期稳定性。

具有 BSTC 氧电极电池的性能

Ref. https://doi.org/10.1002/aenm.202304059

10、佐治亚理工学院 AM:利用高通量计算方法加速发现高性能、耐用质子陶瓷电化学电池的最佳质子导体

系统地计算了 932 种氧化物候选物的关键物理化学性质,包括氧空位形成能、水合能,以及 H2O 和 CO2 的吸附能,研究发现了 BaSnxCe0.8-xYb0.2O3-δ(BSCYb) 这一系列材料,在质子传导性和化学弹性方面展现出了超越传统热门材料 BaZrxCe0.8-xY0.1Yb0.1O3-δ(BZCYYb) 的潜力。

BaCeO3、BaZrO3、BaHfO和 BaSnO3 衍生材料的水合能的高通量计算结果

Ref. https://doi.org/10.1002/adma.202311159

11、南京工业大学 NC:协同双相空气电极实现可逆质子陶瓷电化学电池的高性能和耐用性

通过化学计量调节策略构建了一种三导电混合电极,由立方相 Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3−δ 和六方相 Ba4Sr4(Co0.8Fe0.2)4O16−δ 组成。与突破材料公差极限来创建自组装混合物的常用方法不同,调整 A 位/B 位化学计量比的策略不仅实现了混合相之间的强相互作用,还可以有效地修改相含量。

混合电极的合成策略和热效应示意图

Ref.https://doi.org/10.1038/s41467-024-44767-5

12、华南理工大学 AFM:铟掺杂诱导纳米复合材料提高可逆质子陶瓷电化学电池空气电极的氧反应活性和耐久性

开发了一种 In 掺杂的 PrBaCo1.9In0.1O5+δ 空气电极,由主要的双钙钛矿 PrBa0.95Co1.85In0.09O5+δ 和次要的立方钙钛矿 BaCo0.85In0.15O3-δ 相组成。In 掺杂诱导的纳米复合材料的形成显著提高了 ORR 和 OER 的活性,与裸露的 PrBaCo2O5+δ 相比,氧表面交换和本体扩散能力增强。

FC 模式下 PBCIn0.1 空气极的 R-PCEC 性能

Ref. https://doi.org/10.1002/adfm.202409188

13、香港科技大学 AFM:具有智能可逆析出/溶解电极的自恢复对称质子陶瓷燃料电池

介绍了一种新型自恢复对称质子陶瓷燃料电池设计,采用 BaCo0.4Fe0.4Zr0.1Y0.1O3-δ 作为双功能电极。通过 DFT 计算和分子轨道理论分析,发现 TM-O 键强度对 BCFZY 的双功能性至关重要,可触发可逆的纳米颗粒(NPs)脱溶和溶解。

symm-PCFC 的电化学性能和耐久性

Ref. https://doi.org/10.1002/adfm.202404846

14、南京工业大学 AFM:原位脱溶 CoFeRu 合金修饰钙钛矿作为高性能直接氨质子陶瓷燃料电池的阳极催化层

引入特定组成的阳极催化层材料 PSCFR 来增强直接氨质子陶瓷燃料电池的性能与使用寿命。在 800℃的富氢高温条件下,成功制备了纳米级的 CoFeRu 合金催化剂,CoFe 合金中的 Ru 改性促进了氨催化过程中的氮解吸步骤,从而显著提升了氨分解效率。

不含 ACL 和含 r-PSCFR15 ACL 的全电池的运行稳定性

Ref. https://doi.org/10.1002/adfm.202408756

15、中国矿业大学 AFM:用于可逆质子传导固体氧化物电池的活性稳定无钴 RP Nd0.8Sr1.2Ni1-xFexO4±δ 空气电极

通过调控 Fe 含量,开发了一种性能优异的无钴 RP 钙钛矿结构的电极材料 Nd0.8Sr1.2Ni0.7Fe0.3O4±δ(NSNF30)。

含有 NSNF30 电极的单电池的电化学性能

Ref. https://doi.org/10.1002/adfm.202316485

16、华南理工大学 AFM:高效稳定的可逆质子陶瓷电化学电池原位自组装空气电极

开发出了一种通过 Nb 和 Y 掺杂改性的钴基双钙钛矿材料,即PrBaCo1.8Nb0.1Y0.1O5+δ(PBCNY)。在 R-PCEC 的运行过程中,PBCNY 原位组装成了具有缺陷的 PrBa1-xCo1.8Nb0.1-xY0.1-xO5+δ 母相和 Ba2YNbO6 第二相,这种结构转变使得 PBCNY 在 600°C 时展现出了0.24Ω/cm2 的低面积比电阻。

FC 模式下 PBCNY 空气电极单电池的微观结构和电化学性能

Ref. https://doi.org/10.1002/adfm.202409598

17、阿尔托大学 AEM:浸渍法提高质子陶瓷燃料电池阴极的氧还原动力学和质子转移

通过浸渍法使用 Pr2Ni0.5Co0.5O4−δ(PNC)对LSCF阴极层进行了改性,将由钙钛矿相 PrNi0.5Co0.5O3−δ 和 PrO相组成的复合 PNC 颗粒浸渍到 LSCF 阴极中,提高了 LSCF 阴极的 ORR 活性和质子转移能力。

PNC-LSCF 的反应机理

Ref. https://doi.org/10.1002/aenm.202403335

18、中国地质大学 AM:通过反向原子捕获技术优化质子陶瓷燃料电池阴极的表面化学性能

开发了一种简便有效的反向原子捕获技术来操纵 PCFC 的 PBSCF 阴极的表面化学。该方法成功地利用 W 物种捕获了 PBSCF 表面分离的 Ba 和 Sr 阳离子,形成了 BSCFW@PBSCF 异质结构,从而显著提升了电极的电化学性能。

反向原子捕获过程中的结构演变

Ref. https://doi.org/10.1002/adma.202405052

19、华南理工大学 AFM:浸渍有效提升质子陶瓷燃料电池阴极的活性和稳定性

采用了一步浸润工艺,将精心设计的多阳离子氧化物纳米催化剂 PCNCFO 涂覆于 PBC 阴极表面,实现了性能上的显著提升和耐久性的大幅增强。

采用 PCNCFO-PBC 阴极的单电池制造流程示意图

Ref. https://doi.org/10.1002/adfm.202401747



氧离子导体电解质电池:

20、西安交通大学 AS:选择性蚀刻纳米表面实现高效稳定的固体氧化物燃料电池

提出了一种创新的纳米表面重建方法,即选择性蚀刻技术,通过构建催化优化的分级形貌,以增强 SOC 在不同操作模式下的性能。

酸蚀的表面重构和还原后相变的示意图

Ref. https://doi.org/10.1002/advs.202409272

21、中国科学院大连化学物理研究所 JACS:固体氧化物电解池,CO2 还原耦合甲烷重整

开发了一种在阳极表面锚定原子分散的 Ru 单原子催化剂的新方法,提升了 600°C 下 CH4 重整反应的活性和稳定性,实现 90% 的 CO 选择性并可稳定运行300小时。

SOEC 中的阳极 CH4 重整机理图

Ref. https://doi.org/10.1021/jacs.4c10729

22、中国矿业大学 AFM:铋掺杂增强固体氧化物燃料电池阴极的氧还原活性和 CO2 耐受性

报道了一种通过用 Bi3+ 掺杂 Co 位来调整 NdBaCo2O5+δ(NBC)钙钛矿阴极性能的简单方法。与母体氧化物相比,所得的稳定双钙钛矿 NdBaCo2−xBixO5+δ(x = 0.1 和 0.2)表现出了大大提高的电催化活性和更强的 CO2 的抵抗力。

氧空位形成能和 NBCB 阴极上 ORR 和 CO2 耐受性的机制示意图

Ref. https://doi.org/10.1002/adfm.202400519

23、韩国陶瓷工程技术研究所 EES:Ce(Mn,Fe)O2 纳米催化剂超声喷涂到钙钛矿表面,以实现高效的电化学 CO还原

采用超声喷涂技术一步法制备了一种新型全陶瓷燃料电极 LSCM@nano-CMF。这种方法能够快速形成具有纳米结构的均匀电极,显著简化了传统多步骤的浸渍制备工艺。

 使用超声波喷涂制备高度均匀的 CMF 催化剂

Ref. https://doi.org/10.1039/D4EE03893B

24、厦门大学 JACS:高温电催化中脱溶异相边界的定量揭示

对一系列钙钛矿薄膜平台进行定量分析,研究了由溶出异相纳米颗粒增强的 CO2 电还原反应性。

纳米颗粒/钙钛矿界面的边界长度与 CO2RR 活性

Ref. https://doi.org/10.1021/jacs.4c11274

25、韩国科学技术研究院 AM:使用三重掺杂的氧化铋降低固体氧化物电化学电池的温度

展示了一种开发高性能 LT-SOC 的新方法,该方法涉及 Er3+、Y3+ 和 Zr4+ 三重掺杂的氧化铋,其电导率比传统 YSZ 电解质高 140 倍以上,并且在 650°C 以下具有优异的稳定性。此外,基于 EYZB 的 SOC 微结构的数字孪生表明,EYZB 相的粘合效应提供了更大的接触面积和扩大的电催化活性位点。

基于 EYZB 的 SOC 的数字孪生和微观结构表征

Ref. https://doi.org/10.1002/adma.202306205

26、中国矿业大学 AFM:一种用于可逆固体氧化物电池的活性稳定的高熵 Ruddlesden-Popper 型氧电极

报道了一种 Ruddlesden-Popper 结构的高熵 RP-LSCFNMC 氧电极,该电极具有快速的氧还原反应动力学、抑制的 Sr 偏析和良好的热膨胀效率。

稳定性测试后 RP-LSCFNMC 单电池的形貌结构

Ref. https://doi.org/10.1002/adfm.202411216

27、韩国科学技术研究院 EES:通过纳米级界面现象的直接成像揭示固体氧化物电解池的高温降解机制

利用尖端的透射电子显微镜技术和密度泛函理论计算,揭示了早期阶段发生的纳米级界面降解现象,阐明了整个分层过程及其起源。

电极-电解质界面处降解过程的示意图:纳米孔的形成和局部晶格应变引起的位错和亚晶粒缺陷

Ref. https://doi.org/10.1039/D4EE00896K

28、中国科学院大连化学物理研究所 Angew:原位自组装活性稳定的 Ir@MnOx/LSCIr 界面用于 CO2 电解

通过拓扑离子交换策略性地解决了长期存在的增强脱溶和改善结构稳定性之间的权衡现象。在原子尺度上可视化了 MnOx/LSCIr 催化剂的表面动态重构。与 Ir@LSCIr 界面相比,原位自组装 Ir@MnOx/LSCIr 界面表现出更高的 CO2 活化力和易于去除的碳酸盐中间体,此外,由于Ir@MnOx/LSCIr 电极的 MnOx 壳均匀包裹,实现了更好的 CO2 电解稳定性。

Ir@MnOx/LSCIr 表面电解 CO示意图

Ref. https://doi.org/10.1002/ani.202404861

29、北京科技大学 AFM:固体氧化物电池新一代空气电极材料的原子级工程:具有孪晶结构的五重钙钛矿 Sm2Ba3Co2Fe3O15-δ

报道了一种独特的五重钙钛矿 SBCF-5L 的高性能空气电极材料,由 A 位有序双钙钛矿层和无序简单钙钛矿层组成,表现出高度对称的四方结构,具有各向同性的热膨胀和有限的化学膨胀。颗粒中形成了垂直孪生纳米域,为表面电极反应提供了更多的活性位点。

SBCF-5L 的 STEM 图像中可见孪生纳米域

Ref. https://doi.org/10.1002/adfm.202403312

30、中国科学技术大学 AFM:非化学计量双钙钛矿上电化学 CO2 还原的集体协同催化

报告了一种新的 CO2 RR 催化剂,由 La3+ 供体和 Ni2+受体共掺杂的非化学计量双钙钛矿La0.3Sr1.55Fe1.5Ni0.1Mo0.4O6-δ (LSFNM)。暴露于还原环境后,纳米级 FeNi合金颗粒从钙钛矿晶格中出溶,还原 LSFNM 中氧空位的增加大大促进了 CO2 在表面的化学吸附。

基于 LSGM 的 SOEC 的微观结构和性能

Ref. https://doi.org/10.1002/adfm.202404051

31、武汉大学 AFM:原位脱溶四元合金纳米颗粒用于可逆固体氧化物电池中 CO2-CO 相互转化

报道了一种 Sr2Fe1.0Co0.2Ni0.2Cu0.2Mo0.4O6-δ 中熵钙钛矿基底与原位脱溶的 Fe-Co-Ni-Cu 四元合金纳米粒子(QA@SFO)修饰的燃料电极。在还原性气氛下,四元合金的脱溶伴随着双钙钛矿到层状钙钛矿的结构转变,形成合金纳米粒子牢固地钉扎在具有丰富氧空位的基底上的界面结构,大大增强了 CO2-CO 相互转化的动力学。


QA@SFO 活性界面上 CO2 RR 过程的机理图

Ref. https://doi.org/10.1002/adfm.202403922

32、中国科学院大连化学物理研究所 Angew:单个 Ru 原子的表面活化可增强高温 CO2 电解

通过强共价金属-载体相互作用在阴极氧离子导体表面制备了单个 Ru 原子,可以显著调节 SDC 的电子结构,促进氧空位形成和 CO2 的吸附和活化。

Ru1/SDC 阴极表面 CO2 电解的示意图

Ref. https://doi.org/10.1002/ani.202313361

33、威斯康星大学麦迪逊分校 AEM:钙钛矿催化性能的机器学习设计

使用 SHapley Additive ExPlanations (SHAP) 方法,详细讨论了用于 ML 属性预测的不同模型特征化方法。并利用 ASR ML 模型筛选了一组超过 19 M 的钙钛矿成分,提出了许多有前途的新材料,这些材料比商用材料 LSCF 更便宜,比性能良好的材料 SCCN 更稳定,并且预计在 T = 500°C 时具有极低的 ASR 值,值得更进一步的研究。

以数据为中心的 ML 方法预测催化特性示意图

Ref. https://doi.org/10.1002/aenm.202303684

34、深圳大学 AFM:微量 Mo 掺杂的 SrFeO3-δ 钙钛矿作为中温固体氧化物燃料电池阴极材料

设计了一种弱酸性 MoO3 掺杂的 SrFeO3-δ 基钙钛矿氧化物作为IT-SOFC阴极,化学式为 SrFe0.93Mo0.07O3-δ,这一设计摒弃了常规的重掺杂方法。该氧化物通过结合 Smith 酸性(α)和平均金属-氧键能(ABE)调节策略,展现出了一系列优势特性:稳定的立方相结构、卓越的ORR活性、出色的抗 Sr 偏析能力以及良好的 CO耐受性。

采用 SFM0.07 阴极的对称和阳极支撑 IT-SOFC 的电化学性能

Ref. https://doi.org/10.1002/adfm.202411025

35、香港理工大学 NC:固体氧化物电池瞬态响应的两个一般特征时间

通过全面的数值分析,发现了 SOC 在快速电气变化时的热和气体响应时间分别约为两个特征时间 (τ和 τm)。气体响应时间约为 1 τm,热响应时间约为 2 τh。这些特征时间代表电池内的总热量和质量传递速率,并揭示了它们与各种 SOC 设计和操作参数的数学关系。

使用所提出的特征时间指导 SOC 设计和控制

Ref.https://doi.org/10.1038/s41467-024-48785-1

36、华南理工大学 AEM:可逆固体氧化物电池空气电极的熵和成分调节实现高效的氧还原/析出反应

详细地研究了构型熵的增加和特定掺杂元素的选择对电极电化学性能的影响。结果表明相较于单纯的构型熵提升,合理选择掺杂元素对于提升空气电极的电催化活性及稳定性可能具有更为显著的作用。基于这一发现,开发了一种中熵电极材料 Pr1/2Ba1/6Sr1/6Ca1/6CoO3-δ(PBSCC),该电极在 ORR 和 OER 中均展现出卓越的电催化活性和稳定性。

带有 PBSCC 空气电极的 R-SOC 示意图

Ref. https://doi.org/10.1002/aenm.202401048

37、科廷大学 EES:实验室固体氧化物单电池实验开发过程中性能偏差分析及可靠性改进

总结了可能影响电池性能的各种参数,包括电池配置、密封材料和方式、电流收集材料和技术、电流-电压极化测试方法和操作条件。然后,全面回顾和讨论了它们对纽扣电池性能的潜在影响。最后,提出了提高电池性能可靠性的策略,为未来在实验室规模上开发 SOC 提供宝贵的指导,同时也提供有意义的信息以促进工业应用。

实验参数对 SOC 电池性能结果的潜在影响

Ref. https://doi.org/10.1039/D4EE02581D


38、中国科学院大连化学物理研究所 Joule:甲烷氧化耦合二氧化碳还原

通过微调 B 位组分的平均外溶解能,在还原后的 La0.6Sr0.4Ti0.3Fe0.5Co0.2O3-δ (LSTFC2)阳极表面外溶解出高密度 CoFe 合金纳米粒子,显示出优越的阳极 CH4 重整性能,在 800°C 时 CH4 转化率达 86.9%,CO 选择性达 90.1%。此外,该阳极还能稳定运行 1250 小时,CO 选择性超过 95%。CO 生产的电能消耗从传统 SOEC 的 3.46 kWh m-3 降至 CH辅助 SOEC 的 0.31 kWh m-3。这项工作提供了一种有效的策略,可从热力学角度提高阴极二氧化碳电还原性能,同时在阳极将 CH4 转化为合成气。

甲烷氧化耦合二氧化碳还原示意图

Ref. https://doi.org/10.1016/j.joule.2024.04.009


以上文献均按第一单位统计,作者能力有限,如有错误之处请您给我们反馈;如有遗漏,欢迎您在评论区补充!!!



文章来源: socte


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