一种中等熵氧电极实现高性能且耐污染的可逆固体氧化物电池

更耐用的电极带来更洁净的电力

现代社会需要在风能或太阳能不可用时也能储存并供应清洁能源。可逆固体氧化物电池（Re-SOC）是一类既能发电又能储能的有前景设备，但其关键部件之一——氧电极——在现实中含杂质的空气环境下常常会性能衰减。本研究提出了一种新的“中等熵”氧电极材料，即便在含铬的恶劣条件下也能保持高效工作，从而让Re-SOC更接近实用化和大规模应用。

为何灵活的陶瓷电池重要

Re-SOC是高温陶瓷器件，能够在两种模式间切换。在燃料电池模式下，它将氢等燃料转化为电能；在电解模式下，它利用电能分解水或其他分子，将能量以化学形式存储。双重功能使其在平衡以可再生能源为主的电网、削峰填谷方面具有吸引力。然而，氧电极需要直接接触空气并承担快速的氧反应，在效率与耐久性兼顾的中温区间，它经常成为薄弱环节。

空气杂质如何默默毒害电池

在Re-SOC堆栈内部，金属连接件在受热时会缓慢释放出气态铬化合物。这些铬物种通过气道扩散，和许多氧电极表面自然迁移的成分发生反应，形成导电性差的覆层。随着时间推移，这些覆层覆盖电极表面，甚至允许铬渗入其晶格结构。结果很简单但很有害：电流通道被阻断，氧的进出变得困难，器件的发电或储能能力比设计预期衰减得更快。

一种更复杂的金属组合带来更坚韧的电极

研究人员通过设计一种在原子层面混合多种金属元素的复杂氧化物来应对这一问题：铈系稀土（镨）、钡、锶、钙和钴按钙钛矿结构排列。这种“中等熵”组成被工程化，使得不同金属离子的无序在高温下反而稳定结构，并抑制容易吸引铬的表面物种劣化或相分离。细致的显微和光谱测试表明，该材料具备丰富的表面位点以实现快速氧交换、高电导率以及在体相内的快速氧迁移——这些都是在发电和电解两种工况下取得优异性能的关键因素。

把新电极付诸试验

当团队用该氧电极制备完整的Re-SOC器件时，发现其在燃料电池模式下输出功率非常高，甚至在许多在更洁净条件下测试的优质材料之上或不相上下。更重要的是，在刻意向空气中引入铬蒸气和水以模拟真实运行环境时，性能仍然令人印象深刻。在电解模式下，同样的电池在裂解水汽时能承载大电流，同样暴露于铬蒸气下仍保持长时间稳定运行。研究人员甚至在连续受污染的条件下反复在燃料电池和电解模式间切换100小时、完成25个完整循环，新电极仍能维持其功能。

为何该电极能抵抗毒害

为了弄清该材料为何如此耐受，作者将其与一种成分相近但更简单的电极进行了对比。他们发现，在传统材料上，富铬化合物在表面堆积更严重并更深地渗入多孔网络，堵塞了氧传输所需的通道。相比之下，中等熵电极的铬沉积明显更少且渗透更浅，保留了气体流动和电荷传输的开放通道。随时间测得的氧交换速率和电导率证实了新材料衰退更慢，直接将其抗铬能力与物理、化学稳健性联系起来。

对未来能源系统的意义

通俗地说，这项研究表明，通过将多种元素精心混入单一、略有无序的晶体中，可以制造出在含杂质的高温空气中仍能保持工作的氧电极，而普通材料在此环境下会失效。这种更坚韧、高性能的电极能帮助Re-SOC在存在难以避免的铬污染时提供强劲的功率和可靠的长期运行。随着能源系统越来越依赖灵活且高效的技术来平衡可再生电力，这类耐污染材料可能成为使陶瓷能量转换器足够可靠以实现广泛商业化的重要一环。

引用: Zhu, F., Xu, K., Liao, Y. et al. A medium-entropy oxygen electrode enables high-performance and contaminant-tolerant reversible solid oxide cells. Nat Commun 17, 2617 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69338-8

关键词: 可逆固体氧化物电池, 氧电极, 铬中毒, 高熵氧化物, 清洁能源存储