以基于固态离子的新能源材料为研究对象,提出一套系统选择钙钛矿型导体材料策略,原创性开发出BSCF等高性能透氧膜材料,作为《无机膜与膜催化》的部分成果曾获得辽宁省科技进步一等奖,两篇以通讯联系人身份发表在国际膜科学的论文被评为2007与2008年度全国百篇最具国际影响学术论文。在固体氧化物燃料电池中低温化及单室燃料电池领域也取得了特色较详明、创新性的成果,分别在2004和2005年以第一作者身份在Nature上发表论文2篇。至今在Nature, Acta Mater.,Chem.Commun. Electrochem.Commun.等杂志上发表SCI收录论文117篇,授权专利6项,其中2005年以来发表论文87篇,影响因子大于3.0的有48篇,授权专利4项,所有论文近5年被他引1069次,获得973,863,国家自然科学基金等近10项国家级基金或人才基金的资助。
Solid oxide fuel cell;Electrode materials;Electric power and synthesis gas co-generation;Preparation technology;Lithum ion battery
近年来,开发新的能源技术来代替传统能源转换设备得到了人们广泛的关注。固体氧化物燃料电池(SOFC),因其高的能量转化效率,低的环境污染及多样性的燃料,被认为是最符合社会发展需要的一类清洁能源技术。目前阻碍SOFC大规模商业化的是其较短的使用寿命以及较高的生产和运行成本。降低电池的操作温度以及改进电池制备工艺都被认为是可行的解决途径。作为SOFC阴极,为保证电池在低温下依然有良好的电化学性能,该电极需要能够提供足够大的反应界面以及足够高的电化学活性。在本项目中,我们从新型阴极材料的开发以及阴极结构优化两个方面来优化。一方面,我们成功开发了一系列全新的SrFeO3和BaFeO3基混合离子导体材料以及A位缺陷的经典阴极材料。这些材料在低温下依然有极高的电化学催化活性以及很好的结构稳定性。另一方面,我们利用浸渍法和一步球磨法制备了3D结构的阴极形貌,增加了材料的氧还原活性和稳定性。因为SOFC可以直接使用碳氢化合物为燃料,而SOFC的低温化会导致传统阳极出现较为严重的积碳、硫中毒等问题。这些因素大大影响了SOFC低温的长时间稳定运行。我们利用BaZr0.4Ce0.4Y0.2O3等一些质子导体优良的储水能力,成功的制备一种高电压高能量输出的新型结构电池。优良储水能力使得这种阳极有着很好的抗积碳、抗硫中毒的优势,可以直接使用碳氢燃料或者含有H2S燃料。这为后续开发高性能和高稳定性的SOFC阳极提供了新的思路。此外,为降低电池制备成本,我们对适用于大规模制备的流延技术,浇铸成型技术以及喷墨打印技术进行了大量探索。基于这些技术,我们成功制备了大尺寸的平板式、管式SOFC。这为SOFC将来商业化制备提供了很好的指导。我们通过将SOFC技术和合成气制备技术相结合,制备出了一种新型的电气共生反应器。在通入体积比为2:1的CH4与O2混合气,既可以使电池释放出高性能的能量,同时结合尾气端的催化剂,可以直接得到体积比为2:1的合成气原料H2和CO,这为SOFC的工业界应用提供了新的发展方向。锂离子电池是目前最具有商业化前景的高能量储能元件之一,具有较低生产成本、污染小等优点。我们通过使用纤维素辅助燃烧法,静电纺丝,材料包覆、混合和掺杂等方法对锂离子电池中关键正极和负极材料进行了研究改性,提高电池的长时间循环稳定性和大电流充放电能力,如负极材料Li4Ti5O12,正极材料LiFePO4。