综述：在723 K以下运行的可逆质子陶瓷电化学电池的研究进展：理论见解与实验发展

本综述系统探讨了可逆质子陶瓷电化学电池（R-PCECs）在低于723 K温度下的理论机制与实验突破，重点分析了其低温高效运行的优势（低质子传导活化能）及当前性能瓶颈。通过总结一维电荷传输模型、电极动力学/极化及多物理场仿真，并结合电解质/电极材料优化策略与高通量计算、机器学习等前沿技术，为低温R-PCECs的产业化发展提供关键研究方向。

　　

理论模型构建与挑战

低温（<723 K）运行的可逆质子陶瓷电化学电池（Reversible Protonic Ceramic Electrochemical Cells, R-PCECs）因其质子传导活化能较低，相比传统氧离子导体更具低温应用潜力。一维电荷传输模型揭示了质子在不同材料界面处的迁移机制，但模型未充分解决电极-电解质界面的电荷积累问题。电极动力学与极化分析表明，阴极的氧还原反应（ORR）和阳极的氢氧化反应（HOR）在低温下动力学缓慢，成为限制电池效率的关键。多物理场模型（二维/三维）通过耦合热-电-化学过程，模拟了电池在实际运行中的气体扩散、离子传导和热量分布，但现有模型对法拉第效率（Faradaic Efficiency）的预测仍存在偏差，尤其在高电流密度条件下。

电解质材料的设计与优化

低温运行要求电解质兼具高质子电导率和化学稳定性。掺杂碱土金属（如Ba²⁺、Sr²⁺）的钙钛矿氧化物（例如BaZr_0.8Y_0.2O_3?δ）通过增加氧空位浓度提升了质子迁移率，但烧结温度过高可能导致晶界电阻增大。复合电解质（如陶瓷-碳酸盐体系）利用界面质子跳跃机制增强导电性，然而长期运行中相分离问题仍待解决。此外，薄膜电解质制备技术（如气相沉积、旋涂）通过减少电解质厚度降低欧姆损耗，但缺陷控制与规模化生产仍是挑战。

电极性能提升策略

氧电极方面，钴基钙钛矿（如La_0.6Sr_0.4CoO_3?δ）因高氧交换速率被广泛研究，但锶析出现象导致性能衰减。构建异质结构（如核壳型纳米粒子）可增加活性位点并抑制元素偏析，但合成精度要求极高。燃料电极中，镍-陶瓷金属复合材料（Ni-cermet）具有良好的催化活性与导电性，但低温下碳沉积和硫中毒问题突出。引入功能性涂层（如CeO₂修饰层）可增强抗积碳能力，而合金化策略（如Ni-Fe催化剂）通过调节电子结构提升了HOR动力学。

多物理场仿真与机器学习辅助开发

多物理场模型通过量化温度、气压、电流密度对电池性能的耦合影响，指导了流道设计和操作条件优化。例如，三维模型揭示了局部过热会导致电解质开裂，而梯度孔结构电极可改善气体传输均匀性。机器学习技术通过筛选材料数据库（如晶体结构、离子半径、形成能）预测了新型电解质掺杂体系，加速了高质子电导率材料的发现。然而，现有数据量不足和描述符局限性限制了模型泛化能力。

未来研究方向

当前R-PCECs的低温应用仍面临电极反应动力学缓慢、界面降解、成本高等问题。未来需开发精准的原位表征技术（如中子衍射、环境透射电镜）以解析质子传输路径；设计自愈合电解质涂层以抑制界面反应；探索非贵金属电极材料体系。通过融合多尺度建模与实验验证，有望实现R-PCECs在分布式能源和便携式设备中的商业化应用。