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MIT李巨等ACS Energy Letters:熱沖擊策略助力兩分鐘合成SOC粉末!

MIT李巨等ACS Energy Letters:熱沖擊策略助力兩分鐘合成SOC粉末!
第一作者:Weiwei Fan,Zhichu Ren
通訊作者:李巨,Bilge Yildiz
通訊單位:美國麻省理工學院
DOI:10.1021/acsenergylett.1c02630

背景介紹

得益于其高效和環保的特點,全固態電化學電池是一類重要的能量轉換裝置。它們由開放式多孔陶瓷電極和致密陶瓷電解質膜組成,不同的固體在室溫下不能在較短的時間范圍內相互反應。因此,需要在更高的溫度和長時間處理才能獲得目標相。此外,由于熔爐的熱慣性,加熱和冷卻速率較低,通常需要等待數小時才能獲得目標粉末。實際上已經進行了廣泛的努力來減少陶瓷合成的時間和成本,例如放電等離子體合成、微波合成和閃速合成。盡管這些方法可以增強反應動力學,從而減少合成時間,但仍然難以以高通量方式進行多種組合物的合成。

研究簡介

鑒于此,美國麻省理工學院李巨教授和Bilge Yildiz教授等人通過熱沖擊在2分鐘內成功合成了用于固體氧化物電池(SOC),具有鈣鈦礦結構的混合離子和電子導電電極粉末,從而一舉扭轉了傳統燒結需要兩步,消耗將近40小時的不利之處這得益于向系統提供的高溫,極大地提高了原材料之間的反應動力學。此外,具有螢石結構的典型電解質粉末,如(Y2O3)0.08(ZrO2)0.92(YSZ)和Sm0.2Ce0.8O1.95(SDC),也可以通過熱沖擊在幾分鐘內合成,這顯著減少了固體氧化物電池的制備時間。此外,通過調整碳載體尺寸,可以輕松地一次制備多個樣品。熱沖擊技術的快速合成使得以高通量和經濟的方式開發用于固體氧化物電池的新型功能陶瓷粉末成為可能。相關論文以“Synthesizing Functional Ceramic Powders for Solid Oxide Cells in Minutes through Thermal Shock”為題發表在ACS Energy Lett.

圖文解析

MIT李巨等ACS Energy Letters:熱沖擊策略助力兩分鐘合成SOC粉末!

圖1:SOC粉末的制備過程
為了快速合成和篩選用于固體氧化物電池的多功能陶瓷粉末,本文選擇了一種低成本的碳氈作為一次性加熱源。為了加載所制備的固體前驅體,根據所需的樣品尺寸輕松制造空腔。為了增加原材料的接觸面積并方便地收集產品,將混合物壓縮成顆粒,然后放入被碳氈包圍的“小型一次性爐”中。當在碳氈上施加高電子電流時,樣品周圍會產生大量焦耳熱,驅動固體反應發生,從而迅速形成目標相(圖1b-d)。該技術的優點包括(1)超高加熱和冷卻速率,(2)靈活的尺寸,以及(3)低成本。根據目標樣品的所需尺寸,可以方便地調整碳載體的尺寸。由于快速煅燒(通常在幾分鐘內),可以以高通量的方式合成和篩選功能性陶瓷粉末。
MIT李巨等ACS Energy Letters:熱沖擊策略助力兩分鐘合成SOC粉末!
圖2:熱沖擊制造的SOC粉末的晶體結構表征
MIT李巨等ACS Energy Letters:熱沖擊策略助力兩分鐘合成SOC粉末!
圖3:熱沖擊制備粉末的微觀結構和化學狀態
MIT李巨等ACS Energy Letters:熱沖擊策略助力兩分鐘合成SOC粉末!
圖4:熱沖擊合成粉末的電化學性能
Synthesizing Functional Ceramic Powders for Solid Oxide Cells in Minutes through Thermal Shock,ACS Energy Lett.,2022,
https://doi.org/10.1021/acsenergylett.1c02630

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