盖世汽车讯 燃料电池通过电化学反应将氢气或其他燃料中的化学能转化为电能，是为大型电动汽车、工业设施和偏远地区设施供电的有前景方案。为了推动这一过程所需的反应，固体氧化物燃料电池依赖耐高温的陶瓷电解质。这类固态材料负责在两个电极之间传输离子。

尽管潜力巨大，但目前大多数采用固态电解质传输氧离子的燃料电池都需要在500°C以上的高温下运行。这是因为其电解质只有在高温下才能快速传输氧离子。

高温运行不仅会增加燃料电池的工程设计难度，还会加速其内部组件的损耗。如果能找到在更低温度下传导带电粒子的合适材料，就有望简化燃料电池设计，并延长其使用寿命。

据外媒报道，近日，北京科技大学、海南大学等机构的研究人员开发出一类新的层状薄膜材料，其中原子形成了一种独特的排列模式，即Aurivillius型结构。研究团队在一篇发表于期刊《Nature Energy》的论文中指出，其中性能最佳的薄膜在350°C下表现出较高的离子电导率，并有望在更低温度下提升燃料电池的功率输出。

Chuanrui Huo、Shiqing Deng及其同事在论文中写道：“固体氧离子导体是固体氧化物燃料电池等高温（>500°C）电化学能源技术中的关键功能材料。让这些器件在更低温度下运行，可以简化系统设计、降低材料劣化程度并拓宽材料选择范围，但目前很少有导体能在这一温度区间实现足够高的离子迁移率。我们报道了一系列基于((Na0.5Bi0.5)n–1TinO3n)(Bi2O2)（n=4、5、7和8）Aurivillius型薄膜的氧离子导体，其低温性能颇具潜力。”

图片来源：Huo等人，《Nature Energy》，2026年

可在更低温度下传导氧离子的层状材料

Huo、Deng及其同事制备了四种成分略有不同的相关薄膜材料。这些材料由钠-铋-钛氧化物层块组成，层块之间由规则排列的氧化铋层隔开。不同材料中的层块分别包含4层、5层、7层或8层类钙钛矿层。

在制备薄膜时，研究团队首先采用了脉冲激光沉积技术。该方法利用激光脉冲从固体靶材中轰击出材料，使其沉积到支撑表面上，形成薄而有序的层状结构。

研究人员加入少量镁或锶，以调节薄膜的结构以及氧空位的数量。氧空位是晶格中的空缺位点，氧离子可以在这些位点之间迁移。研究发现，掺杂4%镁的Aurivillius型薄膜具有最佳的电导率。

论文作者写道：“这些Aurivillius相具有周期性排列的氧化铋层和四方畸变的Na0.5Bi0.5TiO3晶格，形成了明确的周期性快速离子传导通道，使其在350°C下的离子电导率达到0.025 S·cm−1。通过将原子尺度电子叠层成像与第一性原理计算相结合，我们认为，这些引人注目的特性源于局域晶格拉伸，以及特定氧化铋插层所诱导的独特双离子传导路径。”

燃料电池初步测试

为了验证这些材料的应用潜力，研究人员将优化后的镁掺杂薄膜用作实验室规模固体氧化物燃料电池的电解质，并分别向阳极供应氢气、向阴极供应空气。随后，他们在350°C下进行了200小时测试，以评估燃料电池的耐久性，并在400°C下测定其最大功率密度。

论文作者写道：“我们构建的燃料电池在400°C下实现了0.726 W·cm−2的最大功率密度，展现出良好的技术应用潜力。”

Huo、Deng及其同事开发的Aurivillius型材料仍有进一步优化的空间，也可以集成到采用不同结构设计的其他燃料电池中。未来，这类材料有望助力开发更耐用的固体氧化物燃料电池，同时简化其热管理系统。