固体氧化物燃料电池（SOFC）是一种在中高温（>400℃）运行的且能够以H₂、NH₃、CH₄和C等能量载体为燃料的能量转化装置，具有燃料适用范围广、综合转化效率高（发电效率 40%～65%，综合能效≥90%）等优点，是实现化石能源清洁利用、达成碳中和目标的关键技术。降低SOFC的运行温度至600 ℃以下、同时保证电池具有良好的发电性能和低廉的制造成本是实现SOFC大规模商业化最有前景的技术路线之一。但是，降低SOFC的运行温度就会遇到由于电解质材料离子电导率显著降低以及电极材料催化活性变差等引起的电池电化学性能显著降低的问题。近年来，一种新型的以锂化合物，如：LiNiO₂或Ni_0.8Co_0.15Al_0.05LiO_2-δ （NCAL）等为电极，陶瓷氧化物Ce_0.9Gd_0.1O_2-δ（GDC）、SrTiO₃（STO）或BaZr_0.9Y_0.1O_2.95（BZY）等为电解质的对称电极陶瓷燃料电池在550℃时的最大功率密度均超过500 mW·cm^-2，电解质的离子电导率可以达到0.221～0.476 S·cm^-1。陈刚课题组研究发现NCAL阳极在电池运行温度下被 H₂还原为Ni、LiOH、Li₂CO₃和少量含Al的氧化物。LiOH和Li₂CO₃混合物在化学势差的驱动下扩散进入到氧化物电解质并形成了“氧化物-锂化合物熔盐”的复合电解质。“氧化物-熔盐”复合电解质的形成可能是NCAL电极陶瓷燃料电池的电解质在450~550℃具有非常高离子电导率的主要原因。

当前，关于这种新型锂化合物电极陶瓷燃料电池的研究报道主要集中在其工作机理以及新型电池材料的开发方面，研究目标以追求高输出功率居多，关于其长期稳定性方面的报道较少，部分文献报道了一些电池在几十小时内的稳定性数据，但对电池性能的衰减机理没有进行深入探究。

图1: 分别以CeO₂、TiO₂、ZrO₂和YSZ为电解质的电池在550 ℃的开路电压随时间的变化曲线

本文研究发现，氧化物电解质材料和LiOH/Li₂CO₃之间的化学反应会对电池的开路电压和电性能的稳定性造成很大影响。图1是分别以CeO₂、TiO₂、ZrO₂和YSZ等材料为电解质时制备的陶瓷燃料电池的开路电压随时间的变化曲线。研究发现TiO₂、ZrO₂和YSZ等材料会和LiOH/Li₂CO₃发生化学反应并生成Li₂TiO₃和Li₂ZrO₃等物质，从而导致电解质内部的LiOH/Li₂CO₃等熔盐物质被消耗（如图2所示），造成电解质电导率显著降低、电池内部气密性变差等问题，从而使得电池性能和开路电压都显著降低。

图2: 电池内部材料间化学反应引起性能衰减示意图

本文对这种新型锂化合物陶瓷燃料电池性能及其稳定性衰减的机理提供了证据和理论依据，对如何提高电池的稳定性提供了思路。在未来的研究中要选择与NCAL电极以及LiOH/Li₂CO₃熔盐具有良好化学相容性的材料作为电解质。同时，本文发现TiO₂作为电解质的电池虽性能很差，但开路电压却远远高于其他氧化物电解质电池，对该现象的进一步探究对提升电池性能及稳定性可能会有一定的积极意义。