研究人员开发高性能氧离子导体 推动下一代电池发展

据外媒报道，在最近的一项研究中，东京工业大学（Tokyo Tech）、东北大学（Tohoku University）、Kojundo化学实验室有限公司和澳大利亚核科学技术组织（ANSTO）的科学家报告了基于一种新的六方钙钛矿相关氧化物的稳定高氧离子导体。这些高性能的氧离子导体，为开发下一代电池和清洁能源设备（如固体氧化物燃料电池）使用的固体电解质铺平道路。

（图片来源：东北大学）

随着清洁能源和高性能设备的发展，开发替代能源材料的需求不断增长，尤其是氧离子导体备受关注。由于晶体结构中存在高迁移性氧离子，这些材料具有独特的电子性质，在固体氧化物燃料电池（SOFC）设计中具有潜在的应用前景，这是一种富有前景的清洁能源技术。

为了开发高效SOFC，需要具有高导电性、化学和电气稳定性的固态氧离子导体。然而，传统氧离子导体在700°C以下导电性不足，因此在较低温度（300 - 600°C）下具有高离子导电性的替代材料备受追捧。

钙钛矿型氧化物可以解决这一问题。据报告，由钡（Ba）、钼（Mo）和铌（Nb）氧化物组成的六方钙钛矿衍生物，具有高离子电导率，但仍存在某些缺点，如晶体结构间隙空间中的氧含量仍然很低，这是高传导所必需的；在还原气氛中，电子传导与离子传导相竞争，阻碍了离子传导；无法通过衍射技术揭示潜在的氧迁移机制。

由东京工业大学 Masatomo Yashima 教授领导的研究团队解决了这些问题。该团队开发了一种新的六方钙钛矿相关氧化物Ba7Ta3.7Mo1.3O20.15，在中、低温下表现出卓越的离子导电性。Yashima教授表示：“此项研究的目标是，设计能够在其结构中引入大量间隙氧，并在中低温下表现出高电导率的材料。此外，离子传导在还原气氛中仍占主导地位。”

该团队随后利用同步加速器X射线、中子衍射数据和数值计算相结合的方法，对材料进行了结构分析。结果发现，与其他六方钙钛矿相关氧化物相比，在结构中引入钽(Ta)可以提高稳定性，并产生更多的间隙氧。此外，分析和计算表明，Mo离子优先占据了负责氧离子传导的缺氧层。

研究人员表示，这些研究结果将为SOFC的开发和商业化提供有效策略。