西工大黄维院士团队李致朋联合张久俊院士AFM: 基于热-动力学策略协同提升SOFC燃料电池性能

邃瞳科学云

2025-10-15

导读：本研究提出“热-动力学策略系统提升固体氧化物燃料电池（SOFC）阴极材料La0.6Sr0.4Co0.4Fe0.6O3-δ（LSCF）活性与稳定性”新路线

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西北工业大学黄维院士团队李致朋教授课题组联合福州大学张久俊院士与大湾区大学奚修安提出“热-动力学策略系统提升固体氧化物燃料电池（SOFC）阴极材料La_0.6Sr_0.4Co_0.4Fe_0.6O_3-δ（LSCF）活性与稳定性”新路线，相关研究发表于国际材料类顶刊Advanced Functional Materials，第一作者为西北工业大学冯鹏。

研究背景

SOFC因其高效率、低排放与燃料普适性被视为未来分布式能源系统的核心，但中温（600–800 °C）运行下的阴极退化问题仍未解决。LSCF凭借混合导电性和高氧还原（ORR）活性成为主流阴极材料，然而高温服役过程中Sr元素向表面偏析并形成绝缘SrO_x层，阻断三相界面、降低氧交换速率，最终导致电池性能与寿命双重衰减。

瓶颈分析

传统抑制Sr偏析的思路多聚焦于异价掺杂或表面包覆，虽能部分缓解问题，却伴随制备流程复杂、界面阻抗升高及成本上升等新挑战。溶胶-凝胶法可获纳米粒径，但有机物残留易引入杂质；常规固相反应温度≥1400 °C，晶粒快速长大，比表面积骤降。如何在“无掺杂、无涂层”前提下，通过本征结构调控同时实现低偏析、高活性与低热膨胀，是领域内尚未攻克的难点。

创新策略

本工作提出“热-动力学协同工程”新路线：采用梯度升温+低温预烧的优化固相工艺，降低LSCF合成温度降低；晶格在压缩应力作用下发生微小畸变，氧空位生成焓增大，空位浓度显著下降，从而大幅度抑制Sr向表面的偏析；同时晶粒细化（114 nm vs. 137 nm）带来更高孔隙率与比表面积，为ORR提供更多活性位点。

图1. a, b, d) 分别在500 nm、50 nm和10 nm尺度下的S-G LSCF高分辨率TEM图像。c) S-G LSCF颗粒中Sr的HAADF-STEM EDS图谱图像。e, f, h, i) 分别在500 nm、200 nm、50 nm和10 nm尺度下的S-R LSCF高分辨率TEM图像。g) S-R LSCF颗粒中Sr的HAADF-STEM EDS图谱图像。j) S-G LSCF的HAADF-STEM EDS图谱。k) S-R LSCF的EDS图谱及各元素的EDS图谱图像。l) SrO_x中O的EELS谱，m) La_xCo_yFe_zO中O的EELS谱，n) La_xCo_yFe_zO中O的EELS谱。

图2. S-G LSCF和S-R LSCF的BET等温吸附曲线。

机理验证

DFT计算进一步证实，氧空位浓度与Sr偏析能呈负相关，表面空位越多，Sr越易迁移。S-R样品通过降低体相与表面空位密度，将Sr扩散势垒从2.59 eV提高至2.83 eV，实现偏析动力学 “冻结” 。此外，压缩晶格使热膨胀系数降至13.3×10⁻⁶ K⁻¹，与YSZ电解质实现近零热失配，显著缓解热循环应力。

图3. a) S-R LSCF和b) S-G LSCF中Sr从Srinit.迁移到Srfin. 的能垒。c) LSCF中晶格和表面氧空位示意图。d) 在晶格和表面氧空位存在下S-R LSCF和S-G LSCF的Sr偏析能。

图4. a) S-G LSCF和S-R LSCF的TEC曲线（0 ≤ T ≤ 900 °C）。b) 与已报道LSCF阴极材料TEC的比较图，水平线为YSZ的TEC。

性能提升

800 °C下，S-R LSCF阴极峰值功率密度达0.91 W cm⁻²，较溶胶-凝胶对照提升42 %；700 °C、1 A cm⁻²恒流运行300 h，电压衰减率仅0.9 %/100 h，稳定性提高6倍以上。电化学阻抗谱与Arrhenius分析表明，其ORR活化能降至1.35 eV，氧表面交换与电荷转移过程显著加速，证实抑制Sr偏析对阴极活性和耐久性的双重增益。

图5. a) SOFC制造过程示意图。b) 电池侧视图。c) 发电系统示意图。

图6. a) S-G LSCF和b) S-R LSCF在600–800 °C下的I-V-P曲线。c) S-G LSCF和S-R LSCF在600–800 °C下的峰值功率密度（PPD）。d) S-G LSCF和e) S-R LSCF在700 °C、1.0 A cm⁻²下的稳定性。电极有效面积为0.25 cm²，所有PPD值均已根据该面积进行调整。

图7. a) S-G LSCF和b) S-R LSCF在600~800 °C空气中电池内的EIS测量。c) S-G LSCF和S-R LSCF阴极整体ASR的比较。d) 相应的阿伦尼乌斯图。

结论与展望

本研究在不引入异价掺杂或表面修饰的前提下，仅通过优化固相反应路径即同步实现低偏析、高活性与低热膨胀，为LSCF阴极的宏量制备与长寿命SOFC电堆开发提供了简洁、可控且易放大的材料解决方案，同时也为其他钙钛矿氧化物功能材料的缺陷调控提供了可借鉴的热-动力学设计范式。

本研究得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金、中央高校基本科研业务费、陕西省重点研发计划等项目的资助。

论文信息

Peng Feng, Qirui Huang, Nannan Han, Kuan Yang, Wei Yan, Xiuan Xi*, Jiujun Zhang*, Zhi-Peng Li*. Significant Suppression of Sr Segregation to Substantially Enhance Performance of La_0.6Sr_0.4Co_0.4Fe_0.6O_3-δ Cathodes for SOFCs via Thermodynamic-Kinetic Engineering. Advanced Functional Material, 2025, e18931.