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《熊本大学发现天然粘土衍生新型燃料电池固体电解质材料》

  • 来源专题：能源情报网监测服务平台
  • 编译者： 郭楷模
  • 发布时间：2025-09-29

  • 熊本大学研究人员发现一种可能彻底改变燃料电池技术的固体电解质材料，该创新膜源自天然粘土矿物，具有高质子传导性和卓越氢气阻隔性能，为中低温燃料电池开辟新可能，相关论文发表于《材料化学A》杂志。

    传统燃料电池依赖质子传导氧化物，需500°C以上工作温度，限制了其在紧凑型或移动应用中的使用。熊本大学工业纳米材料研究所团队，由助理教授Kazuto Hatakeyama和教授Shintaro Ida领导，开发出一种由单层硅酸盐纳米片组成的柔性固体电解质，分子式为H?.??Al?.??Mg?.??Fe?.??Si?.?O??(OH)?(H?O)?.?。

    该材料质子电导率表现优异，在100%相对湿度下，10°C时为2.3×10 -3 S/cm，100°C时为6.2×10 -3 S/cm，140°C时为8.7×10 -3 S/cm，与Nafion等目前聚合物基电解质相当或更优。

    这种膜的独特之处在于其双重性能，既能高效传导质子，阻隔氢气能力又比Nafion膜强100多倍，这对燃料电池的安全性、效率和寿命至关重要。

    当该膜应用于氢燃料电池时，90°C下可实现1080 mA/cm2的最大电流密度和264 mW/cm2的功率输出。更突出的是，该燃料电池可在-10°C至140°C的宽温度范围内稳定运行，适用于寒冷气候和高要求的汽车环境。

    艾达教授表示：“这是朝着可持续、高性能燃料电池迈出的重要一步，这种燃料电池不依赖昂贵或对环境有害的材料。由于原材料蒙脱石粘土丰富且成本低廉，这项技术在可扩展、环保的能源解决方案方面具有真正的潜力。”

  • 原文来源：https://www.wedoany.com/innovation/20247.html
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相关报告

  • 《JCESR团队研究了固态镁离子电池的前景，发现了速度最快的镁离子固体导体》
    • 来源专题：可再生能源
    • 编译者：pengh
    • 发布时间：2017-12-05
    • 2017年11月28日 能源存储研究联合中心(JCESR)的一个能源部科学家发现了速度最快的镁离子固态导体，这是制造固态镁离子电池的主要步骤，这种电池既能量密集又安全。 通过使用ab初始化计算、核磁共振和阻抗光谱测量，研究人员证明了在紧凑的框架中可以实现大量的镁离子迁移(~ 0.01 - 0.1 mS cm- 1，在298 K)-特别是在镁钪钪硒的尖晶石上。理论预测也表明，在其他的chalcogenide spinels中，高镁离子迁移率是可能的，为实现其他镁固体离子导体打开了大门，并最终开发出全固态镁电池。他们的研究成果发表在《自然通讯》上。 美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员(伯克利实验室)和阿贡国家实验室已经在镁电池(post)早些时候,提供更高的能量密度比锂,但因为缺乏好的选择液体电解质,其中大部分会腐蚀电池的其他部分。 与锂相比，镁提供了许多优势:它更安全，地球储量更丰富，而且比普通锂离子电池提供更大的理论容量。进一步,在毫克(MB)阳极电池高能量毫克金属(~ 3830啊l−1)超越理论体积能量密度的石墨阳极(~ 700啊l−1)甚至金属锂的(2062啊l - 1)。 镁是一种新技术，它没有任何好的液体电解质。我们想，为什么不跳过并制造固态电解质呢? - gerbrand Ceder，伯克利实验室资深教授 然而，Mg2 +(和其他多价阳离子)的流动性不好，阻碍了广泛的阴极材料的发展，就像锂离子电池技术和钠离子电池技术一样。研究人员指出，糟糕的Mg运输也限制了固体屏障涂层的使用，以保护电极与液体电解质的反应，或者是完全固态的MBs的发展，这将缓解目前液体电解质引起的许多问题。 在本研究中，我们可以通过对晶体结构和化学的合理调整来实现固体的高Mg2 +移动。通过结合ab的初始计算，同步x射线衍射(XRD)，电化学阻抗谱和固态核磁共振(ss - nmr)，我们证明了在室温下的Mg2 +导电。实验上，我们展示了第一代结晶固体的发现，即。,X =(In,Y,Sc)和Z =(S,Se)，在室温下具有高的Mg2 +阳离子机动性。此外，我们还提出了实用的设计规则，以确定快速多价离子固体导体。我们的理论计算和电化学实验表明，硫化物和硒的尖晶石可能与目前最先进的镁阴极，例如spinel - mgti2s4和Chevrel-Mo6S8相结合。 -Canepa et al。 研究小组还包括麻省理工学院(MIT)的科学家，他们提供了计算资源，阿贡(Argonne)提供了镁钪硒化尖晶石材料的关键实验确认，以记录其结构和功能。 合著者Baris Key,Argonne的研究化学家，进行了核磁共振(NMR)的光谱实验。这些测试是实验证明镁离子可以像理论研究预测的那样快速移动材料的第一步。 NMR类似于磁共振成像(MRI)，它在医学环境中经常使用，它显示人体肌肉、神经、脂肪组织和其他生物物质中的水的氢原子。但研究人员也可以调整NMR频率来检测其他元素，包括在电池材料中发现的锂或镁离子。 然而，镁钪硒化镁材料中的NMR数据涉及到结构复杂的未知结构，使其具有挑战性。 Canepa注意到测试材料的挑战是如此的新鲜。 协议基本上是不存在的。这些发现只有在常规的电化学特性的基础上，结合一种多技术方法(固态NMR和同步加速器测量方法)才能实现。 -Pieremanuele Canepa,第一作者 该小组计划做进一步的工作来使用电池中的导体。此外，该研究还发现了两个相关的基本现象，它们在不久的将来可能会严重影响镁固体电解质的发展，也就是说，在材料化学中，反位点缺陷的作用以及电子和镁电导率的相互作用。 在工业上有巨大的努力来制造固态电池。这是圣杯，因为你会有终极的安全电池。但我们还有工作要做。这种材料显示出少量的电子泄漏，必须在电池使用前将其移除。 gerbrand Ceder 能源部科学办公室通过能源创新中心的能源存储研究联合中心提供了该项目的资金。先进的光子源，位于阿贡的科学用户设施的能源部办公室，为研究固体导体的结构增加了重要的数据。国家能源研究科学计算中心(NERSC)，加州大学伯克利分校的科学用户设施办公室，提供计算资源。该论文的其他共同作者是来自伯克利实验室的李泽楷、麻省理工学院的威廉·理查兹和阎王，以及加州大学伯克利分校的谭石和姚森。 ——文章发布于2017年11月28日
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  • 《计算筛选能力搜索新的燃料电池材料》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2018-03-12
    • 利用先进的计算方法，威斯康星大学的材料科学家（Madison）发现了新的材料，可以使固体氧化物燃料电池的商业化应用更接近现实。 固体氧化物燃料电池本质上是一种发动机，它提供了另一种燃烧化石燃料或氢气发电的方法。这些燃料电池燃烧的燃料是电化学的，而不是燃烧的，比任何传统的内燃机都更有效。 作为替代能源技术，固体氧化物燃料电池是一种高效的多用途电源，可在未来的能源供应中发挥重要作用。固体氧化物燃料电池可用于各种应用，从用作建筑物的电源到提高交通工具的燃料效率。然而，目前的固体氧化物燃料电池比传统能源技术所需成本更高，这限制了它们的使用。 UW-Madison的材料科学和工程教授Dane Morgan说：“更好的阴极催化剂允许低温运行，这可以提高稳定性并降低成本，有可能让你把建筑物从电网中拿出来然后用一种固体氧化物燃料电池替代天然气燃烧来提供电力。如果我们能够使用固体氧化物燃料电池达到这一点，那么我国许多建筑物的电力基础设施可能会发生变化，这对于建设更加分散的电力基础设施将是一个重大的改革。” 在Morgan和Morgan研究小组的科学家Ryan Jacobs的领导下，UW-Madison工程师团队利用基于量子力学的计算技术为固体氧化物燃料电池寻找有前景的新型候选材料。这些新材料可以使燃料电池在较低的温度下运行，并且具有更高的效率和更长的使用寿命。 该团队对源于广泛化合物“钙钛矿”的2000多种候选材料进行了计算筛选，得到了一份列表，其中列出了52种用于固体氧化物燃料电池的潜在新型阴极材料。得到了美国空军和国家科学基金会的支持的摩根说：“通过这项研究，我们已经提供了应该进一步探索的潜在的化合物的具体建议。”“我们确定的一些新的候选阴极材料可以转化为固体氧化物燃料电池，以降低成本。”他们也在Advanced Energy Materials的一篇论文中报告了他们的结果。 除了寻找新材料外，研究人员的方法还可以将他们以前基于直觉的材料设计原则进行整理，并为改进现有材料提供依据。 通常，固体氧化物燃料电池必须在800℃左右的温度下运行。但在这些高温下工作会导致燃料电池中的材料迅速降解，限制了设备的工作寿命。Jacobs说：“现在的目标是让固体氧化物燃料电池在较低的温度下运行，从而减缓降解。使用寿命长的燃料电池不需要经常更换，使其更具成本效益。” 为了实现这一目标，研究人员着手寻找具有高活性的稳定化合物来催化氧还原反应，这是固体氧化物燃料电池中的关键化学过程。该研究的主要作者Jacobs解释说：“如果您可以找到在燃料电池的运行条件下稳定且具有高度催化活性的新化合物，就可以得到稳定的高活性材料并在降低的温度下使用，同时还能实现燃料电池的理想性能。 然而，由于氧化还原反应的高度复杂性，使用计算模型来定量计算钙钛矿化合物的催化活性是非常困难的。 为了克服这一挑战，研究人员采用了一种方法，即选择一个直接计算的物理参数，然后在经验上显示它与催化活性相关，因此可以作为催化活性的有效代表。一旦他们与来自实验的数据建立了这些相关性，研究人员就能够使用高通量计算工具来有效筛选大量材料以实现高催化活性材料的选取。 UW-Madison的研究人员正在与美国国家能源技术实验室（NETL）的一个小组合作，该小组对其中一个候选阴极材料进行了初步测试。Morgan说“这项研究正在进行中，但我们NETL合作者的早期测试发现该材料非常有前景。” 据Morgan所言，这个项目是在材料基因组计划（Material Genome Initiative）的资助下进行的一个先进案列，这是一项国家正在进行努力的项目，目的是加快国家发现、开发和制造新材料的速度。“该项目将把线数字数据库和高通量计算工具的实验相关性综合起来，以设计出新的固体氧化物燃料电池材料，所以这正是由材料基因组计划已经所制定和实施的基础设施和方法所支持的事情。”
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