安徽壹石通材料科技股份有限公司（下稱“壹石通”）成立于2006年1月，致力于先進無機非金屬復合材料的前沿應用。公司主營產品包括新能源鋰電池涂覆材料、電子通信功能填充材料以及低煙無鹵阻燃材料三大類。目前在鋰電池出貨量和市場占有率位列全球第一，也是寧德時代最大的鋰電池涂覆用勃姆石供應商；同時，在目前熱門的5G通信等領域，它也通過為生益科技提供電子科技材料而成為了華為的產業鏈公司；其阻燃材料也已批量供應西門子等大型企業。

圖一  壹石通材料科技股份有限公司

一、雙方合作背景下的項目布局

據悉，壹石通于今年1月21日發布公告，擬與中國科學技術大學等高校建立長期的合作研究關系，走產學研合作的技術發展道路。

本次合作中，雙方將在聯合共建的“中科大先研院-壹石通固體氧化物燃料電池聯合實驗室”中開展固體氧化物燃料電池（下稱“SOFC”）、固體氧化物電解池（下稱“SOEC”）（合稱“SOC”）等相關方向研究，具體內容包括管式SOC和金屬支撐SOC的單電池標準化制備、性能測試、優化及以上兩種構型SOC電堆的設計、制造、測試及優化，實現相關產業鏈的發展和科研成果轉化。

二、為什么要著重研究管式SOFC及金屬支撐SOFC

（一）管式SOFC的優勢

對于SOFC來講，電池的整體結構是全固態，因此能夠根據實際應用場合的不同設計成不同的形狀，如平板型、管型、蜂窩型、瓦楞型等，其中平板型和管型是目前業內的主流電池設計。

SOFC的初始設計形態就是管型，到現在為止已經歷了三代革新，研究表明，管式SOFC的管徑會顯著影響SOFC單電池和電池堆的啟動時間和功率密度。而目前最新的第三代管式SOFC被稱為“微管式SOFC”，顧名思義，它的管徑已經由最初的厘米級發展到微米級。

圖二 管式電池結構簡圖（圖源：科學網）

管式SOFC具有更廣泛的實用性，與平板式SOFC相比具有的優勢如下：

1.管式SOFC可以設計為盲管結構，實現無密封設計；平板式結構必須要處理電池與連接體之間在高溫下的密封問題。

2.管式結構通過管與管集束構建電池組，因此可以使用更廉價的過渡金屬材料作為電池之間的連接材料；而平板式電池組則必須使用耐高溫、耐腐蝕的高成本金屬材料進行集電。

3.雖然平板型SOFC具有形狀簡單易于制取、電池阻抗小等優點，但避免不了熱循環穩定性差、密封困難等問題。而管式SOFC的結構呈現整體的對稱性，密封簡單、具有較高的穩定性，設計大型的電池組系統容易，商業化速度更快，同時兼具小型SOFC和平板式SOFC的一些優點。

而關于管式SOFC的生產工藝，常用技術是傳統的擠出成型法，這種方法生產的管式SOFC通常內阻很大，電池性能低下。近年來一種新型的相轉換法逐漸成為研究熱門，它采用高分子均相溶液作為前驅體，將高分子從溶液中沉析，通常利用熱沉淀、溶劑蒸發、蒸汽相沉淀和浸沒沉淀等方法制備超濾膜、微孔膜、納濾膜、氣體分離膜、反滲透膜、滲透氣化膜等。目前已經報道的有Al₂O₃、ZrO₂、La_0.6Sr_0.4Co_0.2Fe_0.8等薄膜。

圖三 管式電池實驗室成品圖

（二）金屬支撐SOFC的優勢

SOFC的支撐體從材料的角度可分為陶瓷支撐、金屬支撐、金屬-陶瓷支撐。傳統的陶瓷支撐體熱導率低，抗熱沖擊性能較差，導致現有SOFC電堆的啟動速度為3~5℃/min甚至更低。對于金屬支撐SOFC(下稱“MS-SOFC”)來說，由于其中的支撐體由陶瓷材料改變為金屬材料，具有熱啟動速度快、抗熱震性好、焊接密封方便等優勢，大大加快了電堆的啟停速率和制造成本。

目前全球有很多研究機構和高校致力于MS-SOFC的研發工作，目前較為成功的案例有：韓國KAIST以Crofer22APU或SUS430為金屬支撐體，采用燒結方式制備了800℃下功率密度達到0.5W/cm2的高性能MS-SOFC；英國Ceres Power公司采用激光打孔的方式在鐵素體不銹鋼打孔，制備成多孔支撐體，金屬支撐材料選用Ti-Nb穩定Cr合金，制成了600℃下功率密度不低于0.3W/cm2的MS-SOFC；濰柴于2月18日發布全球首款大功率金屬支撐商業化SOFC，熱電聯產效率達到92.55%。

圖四 濰柴發布全球首款大功率金屬支撐商業化SOFC

和傳統SOFC相比，MS-SOFC的燃料氣也有了更優良的適應性，除了大家熟知的氫氣以外還能用重整氣、天然氣、柴油作為燃料氣。綜合前面的介紹，MS-SOFC也被定義為“新一代SOFC”。

圖五 金屬支撐SOFC的應用（從左至右依次為微型家用CHP系統、小型發電系統、功率達到1.3MW的H-SOFC系統）

三、小結

在SOC的技術產業化方面，美、日、歐等國相較于我國起步較早、技術先進，目前我國在此領域仍然處于初級探索階段，但經過20多年的學習和經驗積累，我們已經基本掌握了SOC關鍵材料的制備技術和單電池的量產技術，但同時也面臨電池組件可靠性低，成本巨大、運行環境可控性差、不具備研發長期運行的SOC產業化系統的能力等瓶頸。這次產業鏈與學術研究的長期合作旨在推動SOC產業化發展的腳步，同時也能為各種學術成果帶來實際的經濟效益保障，對我國未來與別國SOC領域的競爭追逐甚至是超越有重大的戰略意義。

粉體圈作者：小張

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