揭示SOFC镍基阳极氧化还原循环失效的关键因素：稳定阳极设计的科学启示

为解决固体氧化物燃料电池(SOFC)镍基阳极在燃料富集/贫乏循环中的氧化还原不稳定性这一关键瓶颈，研究人员系统探究了Ni-YSZ阳极支撑型SOFC在氧化还原循环中的失效机制。研究发现Ni颗粒粗化导致三相边界(TPB)密度和电导率下降，而再氧化过程中形成的海绵状多孔NiO颗粒是导致电池失效的决定性因素。该研究为设计氧化还原稳定的镍基SOFC阳极提供了理论基础。

　　

在全球能源转型的背景下，固体氧化物燃料电池(SOFC)因其高效、清洁的能源转换特性备受关注。然而，这种高温电化学器件的商业化进程却面临着一个"阿喀琉斯之踵"——镍基阳极在反复启停过程中因氧化还原循环导致的性能衰减问题。就像手机电池用久了会不耐用一样，SOFC中的镍-氧化钇稳定氧化锆(Ni-YSZ)阳极在经历燃料富集和贫乏的循环后，往往会出现"未老先衰"的现象，这严重制约了SOFC的大规模应用。

面对这一挑战，徐州市华清京昆能源有限公司的研究人员开展了一项系统性研究，试图揭开Ni-YSZ阳极氧化还原失效的神秘面纱。他们发现，即使是最初表现出优异性能的电池（在800°C氢气环境下峰值功率密度达0.83 W cm^-2），在50小时运行后性能也会暴跌45.3%，这背后的"罪魁祸首"是镍颗粒的粗化现象。更令人惊讶的是，无论镍颗粒是否已经粗化，Ni-YSZ阳极都难以承受哪怕一次完整的氧化还原循环。这项发表在《International Journal of Hydrogen Energy》上的研究，首次明确指出再氧化过程中形成的海绵状多孔NiO颗粒才是导致电池失效的决定性因素。

研究人员采用了多种关键技术方法开展研究：使用商业化生产的Ni-YSZ阳极支撑型纽扣电池作为研究对象；通过电化学测试系统监测开路电压(OCV)和功率密度变化；采用显微结构分析技术观察阳极微观形貌演变；设计对比实验考察不同运行时间对氧化还原行为的影响。这些方法的综合运用为揭示失效机制提供了全方位的数据支持。

在"电池性能"部分，研究揭示了Ni-YSZ阳极SOFC在还原过程中的四个特征阶段：快速上升期、暂时停滞期、缓慢上升期和最终稳定期。这种阶段性变化与镍氧化物的逐步还原过程密切相关。随着运行时间的延长，镍颗粒的粗化导致三相边界(TPB)密度和电导率显著下降，这是性能衰减的主要原因。

在"氧化还原行为"部分，研究发现再氧化过程中形成的海绵状多孔NiO颗粒具有特殊的微观结构。与传统认知不同，这种结构的形成与镍颗粒是否预先粗化无关，而是氧化还原过程中的固有现象。通过对比实验，研究人员确认这种结构变化是导致电解质微裂纹产生的直接原因。

在"结论"部分，研究团队总结指出：Ni-YSZ阳极支撑型SOFC的氧化还原不稳定性主要源于两个关键因素——运行过程中的镍颗粒粗化和再氧化过程中的海绵状NiO形成。前者导致电化学活性位点减少和导电网络破坏，后者则引发机械应力集中和微裂纹扩展。这一发现为理解前人研究中看似矛盾的结果提供了统一的理论框架。

这项研究的重要意义在于：首次明确了SOFC镍基阳极氧化还原失效的关键决定因素，为后续设计抗氧化的新型阳极材料指明了方向。研究提出的"海绵状NiO形成机制"不仅解释了长期困扰学术界的争议，也为开发通过微观结构调控提升氧化还原稳定性的技术路线提供了科学依据。未来，基于这一发现的设计策略有望显著提升SOFC在频繁启停工况下的使用寿命，加速其商业化应用进程。