上海交通大学联合研究所（UM-SJTU JI）陈千丽教授和她的合作者提出了一种新的设计原则，用于高质子传导性钙钛矿材料作为固体氧化物燃料电池的电解质材料。他们的工作论文发表在《先进能源材料》杂志上。



固体氧化物燃料电池是将燃料（如氢气、天然气）的化学能直接转化为电能的电化学装置，具有能量转换效率高、清洁环保等优点。然而，目前固体氧化物燃料电池的工作温度普遍较高（700-1000℃），对器件所有组成材料的高温耐久性提出了严格的要求。


当使用质子传导陶瓷作为燃料电池电解质材料时，工作温度可降至450-700℃，从而显着降低生产成本。然而，这些中温燃料电池的商业化需要进一步提高它们的质子传导性。


研究人员建议，可以通过将晶格振动频率调整为所需的等速温度来提高低温下的质子传导率。


质子的扩散需要克服能量障碍，称为活化能。一般来说，为了提高质子传导率，预计活化能会降低。作者发现质子电导率遵循关于凝聚态物质中原子扩散动力学的迈耶-内德尔规则 (MNR)。当活化能降低时，电导方程中的前置因子相应减小，从而抑制了电导率的增强。


作者发现，当通过改变材料结构来调整活化能时，具有不同活化能的电导率在等速温度下相交，其中质子电导率与活化能无关，而仅取决于材料的本征性质。



从等速温度与材料结构的关系来看，作者提出通过将材料结构调节到所需的等速温度，可以很好地实现较低温度下质子电导率的增强。通过揭示晶格振动与质子传导率之间的关系，作者提出了具有高质子传导率的新型钙钛矿材料的设计原则。