Surface Superionic Conduction Enabled by In Situ Reaction‐Constructed Li 2 TiO 3 @TiO 2 Core–Shell Interfaces for Low‐Temperature Solid Oxide Fuel Cells

材料科学 电解质 氧化物 快离子导体 化学工程 电导率 异质结 电化学 密度泛函理论 热传导 功率密度 电极 化学物理 离子 固体氧化物燃料电池 离子电导率 纳米技术 电流密度 活化能 空位缺陷 储能 绝缘体(电) 原位 交换电流密度 光电子学 电导 氧气
作者
Yaohui Niu,Zhonglong Zhao,Yingbo Zhang,Decai Zhu,Jiangyu Yu,Qian Zhang,Xiaolong Han,Wenxuan Yang,Chengjun Zhu
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:: e73880-e73880
标识
DOI:10.1002/smll.73880
摘要

ABSTRACT Insulating materials are essential for electron‐blocking functionality in low‐temperature solid oxide fuel cells; however, their intrinsic lack of efficient ion‐transport pathways severely limits electrochemical performance. Herein, an in situ phase‐transition strategy is employed to construct an epitaxial core‐shell structure electrolyte, enabling the formation of a surface superionic conductive layer and fundamentally resolving the problem of cell failure based on insulator electrolytes. During cell preheating, the solid‐phase transition of LiOH–TiO 2 precursor induces the spontaneous self‐assembly of a unique Li 2 TiO 3 @TiO 2 core–shell architecture, which establishes continuous three‐dimensional fast‐ion transport pathways along interfacial regions. Besides, experimental characterizations combined with density functional theory calculations indicate that the core–shell heterostructure dramatically enhances charge transfer kinetics via synergistic interfacial effects involving oxygen vacancy engineering, energy band alignment, and electron‐ion coupling. Consequently, fuel cells based on this electrolyte achieve an ion conductivity of 0.223 S/cm and a peak power density of 759 mW/cm 2 at 550°C, while still maintaining an effective power output of 189 mW/cm 2 at low temperature of 390°C. This strategy of in situ phase‐transition induced core–shell structure to achieve surface superionic conduction provides new opportunities for developing high‐performance solid‐state ion devices operating at low temperatures.
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