质子导电电化学电池，特别是质子陶瓷燃料电池（PCFCs）具有较高的质子电导率和600 °C以下的低活化能，有望成为下一代能量转换系统的突破性技术。然而，质子导电氧化物在烧结过程中的化学和物理稳定性较低，导致其电化学性能远低于预期，限制了其应用。
近日，成均馆大学Wonyoung Lee报道了通过控制Ba在电解质表面附近的化学势，成功地展示了一种具有极低欧姆电阻的化学计量比BaZr0.4Ce0.4Y0.1Yb0.1O3-δ（BZCYYb）电解质。
文章要点
1）钙钛矿氧化物中A位阳离子含量与相分离、晶粒生长和质子电导率的强相关性证实了BZCYYb电解质中Ba在烧结过程中的非化学计量比导致了阳离子在整个电解液中的不均匀分布，恶化了其化学和物理稳定性，从而降低了质子电导率。此外，控制Ba的化学势可以极大地提高化学和物理稳定性，以保持所需的化学计量比化学成分，促进晶粒生长，从而获得低活化能的高质子电导率。
2）采用化学计量的BZCYYb电解质制作的单电池在阳极支撑配置下，在650 °C和550 °C时的峰值功率密度分别为1.90 W·cm-2和1.01 W·cm-2，具有优异的电化学稳定性。这一单电池性能超过了所有以前报道的PCFC，这主要归功于电解质降低的欧姆电阻降低（650 °C时为0.060 ohm·cm-2,550 °C时为0.082 ohm·cm-2），这一点可以通过简单控制烧结过程中的化学势轻松而稳定地实现。
研究结果为质子导电氧化物电化学体系的电化学性能、热稳定性和制备工艺的进一步突破提供了更多的可能性。
参考文献
Mingi Choi, et al, Exceptionally high performance of protonic ceramic fuel cells with stoichiometric electrolytes, Energy Environ. Sci., 2021
DOI: 10.1039/D1EE01497H
https://doi.org/10.1039/D1EE01497H
