巧施“內(nèi)力”，攻克非對(duì)稱陶瓷膜致密化難題 | 科技前線

非對(duì)稱陶瓷膜是氣體分離、能源轉(zhuǎn)換等前沿領(lǐng)域的關(guān)鍵組件，其典型結(jié)構(gòu)為一個(gè)多孔支撐基底和一層必須完全致密的功能薄膜。將二者通過高溫共燒結(jié)形成一體化結(jié)構(gòu)，是制備非對(duì)稱陶瓷膜的關(guān)鍵步驟與長期挑戰(zhàn)。

近期，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所團(tuán)隊(duì)提出了自壓縮應(yīng)力策略，為涉及“多孔支撐體—致密功能層”結(jié)構(gòu)的先進(jìn)陶瓷膜制備，提供了一條通往高性能、低成本、低溫制造的全新路徑。

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變“收縮失配”

為“致密動(dòng)力”

由于非對(duì)稱陶瓷膜的兩層材料在高溫下的收縮行為失配，非對(duì)稱膜極易發(fā)生開裂、翹曲。更嚴(yán)重的是，高溫本身會(huì)引發(fā)元素?fù)]發(fā)、雜質(zhì)偏析和層間有害遷移，嚴(yán)重?fù)p害材料性能。因此，探索一條不依賴極端高溫的非對(duì)稱膜高質(zhì)量共燒路徑，能夠從根本上抑制高溫?fù)p傷。

針對(duì)這一難題，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種顛覆性的逆向思維：主動(dòng)利用多孔載體與功能薄膜的收縮差異，將其轉(zhuǎn)化為非對(duì)稱膜的致密化驅(qū)動(dòng)力。

如果讓多孔支撐體在燒結(jié)時(shí)比功能薄膜收縮得更快、更劇烈，那么支撐體就會(huì)像一個(gè)從外圍均勻收緊的“模具”，對(duì)薄膜施加持續(xù)、均勻的徑向壓縮應(yīng)力。

這種自壓縮應(yīng)力就像在材料內(nèi)部集成了一臺(tái)微型壓力機(jī)，能從四面八方“擠壓”薄膜，強(qiáng)力促進(jìn)顆粒重排、孔洞排除，從而有望在低溫實(shí)現(xiàn)非對(duì)稱膜高質(zhì)量、無缺陷的共燒致密化。

這項(xiàng)研究成功將非對(duì)稱膜制備中的經(jīng)典矛盾——層間收縮失配，轉(zhuǎn)化為可精確調(diào)控的、強(qiáng)大的致密化驅(qū)動(dòng)力。

▲ 雙參數(shù)調(diào)控自壓縮應(yīng)力實(shí)現(xiàn)電解質(zhì)低溫致密化

02

雙“旋鈕”調(diào)控

研究團(tuán)隊(duì)將這一創(chuàng)新策略率先應(yīng)用于極具前景的質(zhì)子導(dǎo)體固體氧化物燃料電池體系。

該體系的核心電解質(zhì)功能層采用典型的BCZY712陶瓷，這種陶瓷材料以優(yōu)異的質(zhì)子傳導(dǎo)能力著稱，是實(shí)現(xiàn)中低溫高效發(fā)電與電解的關(guān)鍵。

團(tuán)隊(duì)通過兩個(gè)關(guān)鍵“調(diào)控旋鈕”，精準(zhǔn)“駕馭”自壓縮應(yīng)力促進(jìn)共燒結(jié)。一個(gè)是孔隙調(diào)控，在陽極支撐體中加入淀粉造孔劑（含量達(dá)30wt%），增加其收縮潛力；另一個(gè)是預(yù)燒調(diào)控，將陽極支撐體在相對(duì)較低的900℃進(jìn)行預(yù)燒結(jié)，保留其大部分收縮能力。

采用此優(yōu)化策略，團(tuán)隊(duì)成功在1300℃這一顯著降低的溫度下，實(shí)現(xiàn)了BCZY712陶瓷非對(duì)稱膜層的致密化，相對(duì)密度達(dá)到約99%。

03

性能全面提升

自壓縮策略無需復(fù)雜設(shè)備且與現(xiàn)有陶瓷燒結(jié)工藝高度兼容，這一基于自壓縮應(yīng)力的低溫致密化策略，從根本上遏制了高溫?zé)Y(jié)帶來的本征損傷。

對(duì)比傳統(tǒng)高溫?zé)Y(jié)的電池，采用該策略制備的電池展現(xiàn)出顯著的材料優(yōu)勢(shì)：鋇揮發(fā)銳減，電解質(zhì)表面關(guān)鍵元素?fù)p失大幅降低；雜質(zhì)消失，無氧化釔雜質(zhì)在結(jié)晶時(shí)分布不均勻的現(xiàn)象；鎳遷移受阻，來自支撐體的鎳遷移含量降低了73%至89%。

同時(shí)，化學(xué)成分的精確保持也帶來了性能的提升，單電池峰值功率密度比傳統(tǒng)電池提升89%，電解質(zhì)質(zhì)子電導(dǎo)率提升151%，且電池表現(xiàn)出優(yōu)異的長期運(yùn)行穩(wěn)定性，驗(yàn)證了該低溫制備策略的可靠性。

來源：中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所

責(zé)任編輯：曹旸