工大闫鹏飞教授、隋曼龄教授，清华欧阳明高院士团队，怀柔实验室合作 Small观点：高温下Ni扩散导致固体氧化物电池(SOC)离子电导率下降

第一作者：孙佳昆，阴恒铂

通讯作者：隋曼龄*，闫鹏飞*

单位：北京工业大学，清华大学，怀柔实验室，北京科技大学

在固体氧化物电池（SOC）在约 1400℃的电极烧结过程中，燃料电极中的Ni会发生扩散并导致在 YSZ（氧化钇稳定氧化锆）晶界处的偏析，从而严重降低氧离子电导率。通过电化学测试和先进的电子显微镜技术，作者们发现Ni富集程度越高，空间电荷层越厚，空间电荷电势越高，这会对氧离子在晶界处的扩散产生显著的阻碍作用。并且作者定量估算了在运行温度范围内由Ni偏析引起的离子电导率下降。另外，利用超快高温烧结技术（UHS），成功抑制了YSZ晶界处的Ni偏析，从而使 700℃时的离子电导率提高了一倍。这项工作不仅阐明了 YSZ 界面处Ni的偏析会严重损害离子电导率，还表明抑制 YSZ 界面处Ni的偏析是降低电池欧姆电阻和提高电池性能的新途径。

近日，北工大闫鹏飞教授隋曼龄教授与清华欧阳明高院士团队，怀柔实验室李建秋教授团队，北科大张新房教授合作，在国际知名期刊Small上发表题为“High Temperature Ni-Diffusion Plaguing Ionic Conductivity of Solid Oxide Cell”的观点文章。该文章提出了商用SOC在烧结时，因为燃料电极Ni扩散到YSZ晶界处会影响氧离子的传导，造成晶界阻隔效应，并且定量分析了Ni富集浓度与电导率的关系，采用4D-STEM技术表征出了横跨晶界处的空间电荷层，同时提出采用UHS技术抑制了Ni扩散，恢复了晶界的离子电导。

图5. 采用UHS技术有效抑制了Ni富集，并提高了离子电导率。

设计不同程度Ni在YSZ晶界富集的模型样品，通过定量分析发现，晶界Ni偏析程度随NiO含量增加而升高，并导致晶界极化阻抗急剧增加。在SOC典型工作温度（~700℃）下，严重的Ni偏析可使YSZ总离子电导率下降约一半，是实际SOC电导率远低于纯YSZ本征值的主因之一。

Ni作为杂质在YSZ晶界偏析，未形成第二相，但其存在显著增强了晶界处的空间电荷电势。通过4D-STEM直接观测到增强的局域电场强度，Mott-Schottky模型计算了Ni偏析提高了空间电荷电势，从而对氧离子扩散形成显著的晶界阻隔效应。

为解决Ni富集引起的电导率下降问题，引入超快高温烧结技术，通过极短的高温停留时间极大抑制了Ni的扩散动力学。UHS制备的样品在晶界处几乎无Ni富集，其晶界电阻显著降低，离子电导率相比传统烧结样品大幅提升。

传统提升SOC性能的策略集中于将YSZ电解质无限减薄以缩短离子传输路径，但该工艺存在物理与工程极限。本工作提出并验证了一条新路径：通过抑制Ni等杂质在晶界的偏析，显著降低晶界对离子的阻塞效应，从而在电解质厚度不变的前提下，也能大幅提升其整体离子电导率，为中低温SOC性能突破提供了关键材料解决方案。

“High Temperature Ni-Diffusion Plaguing Ionic Conductivity of Solid Oxide Cell”

闫鹏飞教授简介：北京工业大学材料科学与工程学院教授、博士生导师，国家级青年人才项目获得者，北京市特聘教授，入选北京“凤凰人才计划”。主持国家、北京市和企业科研项目10余项，到校科研经费500余万元。 担任材料类一区期刊《Materials Research Letters》青年编委，国产期刊《eScience》、《Electron》青年编委，是Nature Nanotechnology，Nature Communications等期刊的审稿人。

研究领域：利用先进的电子显微学表征技术来研究能源材料的基本结构、失效机理以及改性策略。共发表SCI论文100余篇，引用超100次的论文22篇，总引用10000余次，H因子52。以第一作者和通讯作者发表40余篇SCI论文，包括Nature Materials(1), Nature Energy(1), Nature Nanotechnology(1), Nature Communications(2), Advanced Materials(4)。入选全球前十万科学家（全球学者库）。在国际和国内会议做邀请报告20余次。

隋曼龄教授简介：材料科学与工程学科电子显微学研究领域专家，1964年生于辽宁省，北京工业大学材料科学与工程学院教授、博士生导师，学科方向首席教授，学部学术委员会主任，校学术委员会委员。2001年度国家杰出青年科学基金项目获得者、2005年度中国科学院“百人计划”项目获得者、获聘2008年度教育部重大人才工程特聘教授。北京市属高校高水平创新团队建设计划《使役环境下先进功能材料的高时空分辨电子显微学研究》团队带头人。曾兼任国际纯物理和应用物理联合会（IUPAP）第五工作组（WG5）国际委员、中国物理学会常务理事、女物理工作者委员会主任等。现兼任全球华人物理和天文学会（OCPA）女物理工作者委员会主席，亚太物理学会联合会（AAPPS）女物理工作者委员会副主席，中国物理学会秋季学术会议组委会委员、分会召集人，美国物理学会《Physical Review Materials》杂志编委，《现代物理知识》编委，《北京工业大学学报》编委等。

现主要从事先进材料的微观结构表征和结构与性能关系的研究工作。多年来立足于电子显微学研究领域，将透射电镜中原位加载、原位液体环境等先进的微观结构分析与表征技术率先应用于材料科学领域的基础科学问题研究，取得了多项有国际影响力的原创性成果。发表包括Science, Nat. Mater., Nat. Comm., Adv. Mater., Nano Energy, Energ. Environ. Sci., Phy. Rev. Lett., Acta Mater.等论文200余篇，被SCI他引10100余次。主持了多项国家自然科学基金项目和国家重点研发计划项目。多次在国际及国内会议做邀请报告。获国家自然科学奖三等奖、中科院自然科学奖二等奖、国家教委科技进步奖二等奖、辽宁省青年科技奖一等奖、中国侨界贡献（创新团队）奖、北京市留学人员创新创业特别贡献奖等。还获得中国科学院“十大杰出妇女”等多项荣誉称号。