高电压固态薄膜燃料电池的设计开发

随着传感器等器件的微型化发展,集成化微型电源的需求也逐步提高。因此,微型锂离子电池、微型太阳能电池、微型超级电容器以及微型燃料电池在近期受到了广泛的关注。 近期复旦大学的王永刚教授课题组设计开发了一种新型的过氧化氢-硼化物固态薄膜燃料电池。这种微型燃料电池具有1.6V高工作电压,因而与其他微型燃料电池相比具有更高的功率特性。这项工作发表在了Advanced Energy Materials上

这种固态薄膜燃料电池采用锂离子导体陶瓷膜(Li1+x+yAlxTi2-xSiyP3-yO12, LATSP) 为离子交换膜,通过磁控溅射方法在上述锂离子导体陶瓷膜的两侧分别蒸镀上Au纳米薄膜和Pt纳米薄膜后,便形成了具有典型三明治结构的固态薄膜燃料电池(Au/LATSP/Pt)。Au、 Pt纳米薄膜分别为负极和正极催化剂层,溶解在含锂离子碱性溶液中的硼化物和溶解在酸性溶液中的过氧化氢被分别用作负极燃料和正极燃料。放电过程中,伴随着硼化物在Au表面的氧化和过氧化氢在Pt表面的还原,锂离子能够通过整个电池的三明治机构,从Au一侧扩散到Pt一测,同时电子通过外电路由负极传输到正极。

这种固态薄膜燃料电池首次采用室温下具有高电导率的锂离子导体陶瓷膜取代常规的质子交换膜,并分别采用酸性正极电解液和碱性负极电解液。由于锂离子导体陶瓷膜只能容许锂离子的通过,这类燃料电池能够巧妙地利用碱性溶液较低的析氢电位和酸性溶液较高的析氧电位,从而实现整个电池体系的高电压。传统燃料电池所广泛采用的质子交换膜则不能有效地隔离酸性和碱性电解液,即不能避免酸碱中和反应,因此传统燃料电池的工作电压往往低于1.23V. 此外,陶瓷离子交换膜的采用为燃料电池的集成化和微型化提供了便利条件。在未来的研究中,可以通过微加工技术在陶瓷膜的表面制备出各种三维纳米结构,并有望最终实现三维微观燃料电池的可控设计和制备,近一步满足集成化和微型化的不同需求。综上所述,“以锂离子导体陶瓷膜为离子交换膜”和“酸/碱电解液的同时使用”为未来微型燃料电池的设计和开发提供了新的研究思路。