可擴充套件方法：製造低操作溫度的超薄質子導電陶瓷電化學電池
引言
質子導電陶瓷電化學電池（Protonic Ceramic Electrochemical Cells, PCECs）是一種新興的能源技術，其電解質基於導質氧化物和氧離子導體以利於全球綠色氫能與電力的生產。相較於傳統的低溫聚合物電解質電化學電池，PCECs 具有許多優勢，包括更高的能量效率和對不同型別燃料的相容性。然而由於其操作溫度通常超過 500°C，致使這些應用前景廣闊的能源解決方案至今仍難以大規模生產和應用。新策略的提出
最近，堪薩斯州立大學、科羅拉多礦業學院、日產北美技術中心（NTCNA）、日產汽車公司和俄克拉荷馬大學的研究人員提出了一種新的設計策略，將 PCECs 的操作溫度降至 450°C 以下。他們在《自然能源》（Nature Energy）期刊中介紹的這種方法可能有助於克服當前約束這些有前景的能源解決方案大規模應用的障礙。 「降低 PCEC 的操作溫度可以促進其規模化和商業化，」劉帆、鄧浩和他們的同事在論文中寫道。「然而在低操作溫度下實現高能量效率和長期耐久性是一個長期存在的挑戰。我們報告了一種簡單且可擴充套件的方法，製造超薄、化學均勻且堅固的質子導電電解質，並展示了一種原位形成的復合陽極，即 Ba0.62Sr0.38CoO3-δ - Pr1.44Ba0.11Sr0.45Co1.32Fe0.68O6-δ。」 研究人員創造的復合陽極可以顯著降低 PCECs 中不同型別的電阻，包括歐姆阻抗、陽極-電解質接觸相關的阻抗和極化電阻等。搭配適當的電解質使用，這種陽極可以顯著改善 450°C 以下溫度下的 PCECs 效能。研究結果與應用前景
為了探索他們所提出的設計策略的潛力，劉、鄧和他們的同事使用這些策略創造了新的 PCECs。然後，他們進行了一系列測試，評估這些裝置在燃料電池和蒸汽電解器模式下的功率密度和操作溫度。 「PCECs 在燃料電池模式下實現高功率密度（在 450°C 時為 0.75 W cm-2，在 275°C 時為 0.10 W cm-2），並在蒸汽電解模式下實現極高電流密度（在 1.4 V 和 450°C 時為-1.28 A cm-2）。在 600°C 時，PCECs 功率密度可達到約 2 W cm-2，」劉、鄧和他們的同事在論文中寫道。「此外我們還展示了在低於 450°C 的條件下直接利用甲烷和氨進行發電。我們的 PCECs 在 400°C 下作為發電和氫氣生產的過程中也保持穩定。」 首次評估結果極具潛力，顯示了這些方法能夠實現以較低溫度執行的高效能 PCECs，既可作為燃料電池，又可支援氫氣生產。令人驚訝的是，研究人員創造的電解質還能夠實現與之前複雜製造工藝基礎上發展的 PCECs 相當甚至更低的電阻。這篇最新論文中介紹的方法可能很快被應用於開發更多低溫執行的 PCECs，從而實現這種新興能源解決方案的大規模部署。未來，這個研究團隊的原型電池還可以進一步改進和完善，降低操作溫度並提升效能。評論和建議
這項研究開拓了降低操作溫度的新途徑，為推動 PCECs 的應用提供了新希望。降低操作溫度將有助於提高 PCECs 的可擴充套件性和商業化程度，同時帶來更多可持續的能源解決方案。這一突破不僅對全球能源轉型具有重要意義也有助於減輕環境壓力並實現永續發展目標。 然而雖然這項研究顯示出了許多好的前景，但還需要進一步的實驗和應用研究，以確保這些新設計策略的效能和可靠性。同時技術的商業化和大規模應用還面臨著許多挑戰，包括成本、產能和可持續性等方面的問題。政府、學術界和工業界應加固合作，共同推動這些技術的發展和應用，從而實現清潔能源和氫能經濟的可持續發展。 作為個體，我們也可以關注並支援這些新興能源技術的發展。例如，我們可以減少對傳統能源的依賴，提高對清潔能源的需求，並在可行的情況下選擇使用這些新技術。這將有助於加速能源轉型，減少碳排放，並為未來的世代提供更好的環境。參考文獻：
Liu, F., Deng, H., ... et al. (2023). Lowering the operating temperature of protonic ceramic electrochemical cells to <450 °C. Nature Energy, 1-9. DOI: 10.1038/s41560-023-01350-4.https://techxplore.com/news/2023-09-scalable-approach-fabricate-ultrathin-protonic.html
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