将离子导电率提高1亿倍燃料电池新材料探秘

西班牙研发人员开发出一种可有效地提高燃料电池效率的超晶格电解质材料，较当前的固体氧化物燃料电池可大大地降低成本。
  
  西班牙研究人员称这类超晶格电解质（superlattice electrolyte）的离子导电率较常规的燃料电池器件提高了近1亿倍。这项新技术已得到了美国能源部所属最大的科学和能源研究实验室—美国橡树岭国家实验室的认可。
  
  Delphi Automotive Systems、BMW和Rolls-Royce都有公布有关固体氧化物燃料电池的开发计划。然而，据称若在汽车用燃料电池中采用这类新型超晶格电解质，则可以大大提高电池的效率和降低生产成本。
  
  从这类离子导电型材料的分子结构模型就可以看出为什么它会具有更好的离子导电性。因为超晶格迭层的交界面存在大量离子空位，从而形成一个允许更多离子通过的开放通道。
  
  
  超晶格电解质材料
  
  “西班牙研究人员可以量测出他们所开发的超晶格材料的离子导电率，但是却没办法进行解释。” 橡树岭国家实验室材料科学&技术部门的Maria Varela表示，“我们可以给出图片来解释这类材料导电性增强的原因。通过这些图片我们可以清楚地看到紧张而晶而有序的界面层分子结构以及它们是如何排列以给离子提供更宽的传送通道。
  
  Maria Varela断言，“我不知道若燃料电池采用这类超晶格电解质具体能将效率提高多少，但我可以肯定地讲它将大大地降低燃料电池的成本。”
  
  西班牙研究人员分布在两所位于马德里的大学：马德里康普斯顿大学（Universidad Complutense）和Universidad Politcnica。
  
  固体氧化物燃料电池要求工作温度高于1,000°F，但新的超晶格电解质不仅具有更高的渗透性--以便提高燃料电池的效率，同时可以工作在接近室温下，这样降低了其本身的温度并且不像固体氧化物燃料电池一样需要“热身”一段时间后才能工作。
  
  固体氧化物燃料电池的阴极和阳极被固体电解质分开，通过固体电解质的带正电荷的氧离子数与电路中通过的带负电荷的电子数量相等。电路的外部与燃料电池的电极相连。固态电解质与由Ford、Volkswagen、GE、Dupont和其它公司正在着手研发的燃料电池中所采用聚合物电解质膜功能相同。
  
  固态氧化物燃料电池的效率受限于电解质传送氧离子的能力，而氧离子要在固态电解质的原子间传递。为了获得更高效率，固态电解质燃料电池的工作温度通常高于1,000°F。
  
  新的超晶格电解质材料内部结构具有更宽的缝隙让氧离子通过，而不必由一个原子传送给另一个原子。这样即便在室温条件下，材料的原子导电率也有了极大的提高。
  
  新材料采用锆氧化物层和钛酸锶氧化物层交迭，这类膜质材料氧离子渗透性增强要归因于交迭层中的失配晶格。橡树岭国家实验室开发人员称他们用分辨率约0.6埃(光谱线波长单位)的300KV、Z对比扫描传送电子显示镜观察到了失配晶格和由此产生的缝隙。
  
  Varela 表示，“据我们观察发现，因氧化层之间的晶格失配导致了大量氧离子通道的形成”。
  
  研发人员将把观察结果给那些想要采用新型交互层超晶格电解质开发固体氧化物燃料电池的研发团队传阅。