安徽壹石通材料科技股份有限公司（下称“壹石通”）成立于2006年1月，致力于先进无机非金属复合材料的前沿应用。公司主营产品包括新能源锂电池涂覆材料、电子通信功能填充材料以及低烟无卤阻燃材料三大类。目前在锂电池出货量和市场占有率位列全球第一，也是宁德时代最大的锂电池涂覆用勃姆石供应商；同时，在目前热门的5G通信等领域，它也通过为生益科技提供电子科技材料而成为了华为的产业链公司；其阻燃材料也已批量供应西门子等大型企业。

图一  壹石通材料科技股份有限公司

一、双方合作背景下的项目布局

据悉，壹石通于今年1月21日发布公告，拟与中国科学技术大学等高校建立长期的合作研究关系，走产学研合作的技术发展道路。

本次合作中，双方将在联合共建的“中科大先研院-壹石通固体氧化物燃料电池联合实验室”中开展固体氧化物燃料电池（下称“SOFC”）、固体氧化物电解池（下称“SOEC”）（合称“SOC”）等相关方向研究，具体内容包括管式SOC和金属支撑SOC的单电池标准化制备、性能测试、优化及以上两种构型SOC电堆的设计、制造、测试及优化，实现相关产业链的发展和科研成果转化。

二、为什么要着重研究管式SOFC及金属支撑SOFC

（一）管式SOFC的优势

对于SOFC来讲，电池的整体结构是全固态，因此能够根据实际应用场合的不同设计成不同的形状，如平板型、管型、蜂窝型、瓦楞型等，其中平板型和管型是目前业内的主流电池设计。

SOFC的初始设计形态就是管型，到现在为止已经历了三代革新，研究表明，管式SOFC的管径会显著影响SOFC单电池和电池堆的启动时间和功率密度。而目前最新的第三代管式SOFC被称为“微管式SOFC”，顾名思义，它的管径已经由最初的厘米级发展到微米级。

图二 管式电池结构简图（图源：科学网）

管式SOFC具有更广泛的实用性，与平板式SOFC相比具有的优势如下：

1.管式SOFC可以设计为盲管结构，实现无密封设计；平板式结构必须要处理电池与连接体之间在高温下的密封问题。

2.管式结构通过管与管集束构建电池组，因此可以使用更廉价的过渡金属材料作为电池之间的连接材料；而平板式电池组则必须使用耐高温、耐腐蚀的高成本金属材料进行集电。

3.虽然平板型SOFC具有形状简单易于制取、电池阻抗小等优点，但避免不了热循环稳定性差、密封困难等问题。而管式SOFC的结构呈现整体的对称性，密封简单、具有较高的稳定性，设计大型的电池组系统容易，商业化速度更快，同时兼具小型SOFC和平板式SOFC的一些优点。

而关于管式SOFC的生产工艺，常用技术是传统的挤出成型法，这种方法生产的管式SOFC通常内阻很大，电池性能低下。近年来一种新型的相转换法逐渐成为研究热门，它采用高分子均相溶液作为前驱体，将高分子从溶液中沉析，通常利用热沉淀、溶剂蒸发、蒸汽相沉淀和浸没沉淀等方法制备超滤膜、微孔膜、纳滤膜、气体分离膜、反渗透膜、渗透气化膜等。目前已经报道的有Al₂O₃、ZrO₂、La_0.6Sr_0.4Co_0.2Fe_0.8等薄膜。

图三 管式电池实验室成品图

（二）金属支撑SOFC的优势

SOFC的支撑体从材料的角度可分为陶瓷支撑、金属支撑、金属-陶瓷支撑。传统的陶瓷支撑体热导率低，抗热冲击性能较差，导致现有SOFC电堆的启动速度为3~5℃/min甚至更低。对于金属支撑SOFC(下称“MS-SOFC”)来说，由于其中的支撑体由陶瓷材料改变为金属材料，具有热启动速度快、抗热震性好、焊接密封方便等优势，大大加快了电堆的启停速率和制造成本。

目前全球有很多研究机构和高校致力于MS-SOFC的研发工作，目前较为成功的案例有：韩国KAIST以Crofer22APU或SUS430为金属支撑体，采用烧结方式制备了800℃下功率密度达到0.5W/cm²的高性能MS-SOFC；英国Ceres Power公司采用激光打孔的方式在铁素体不锈钢打孔，制备成多孔支撑体，金属支撑材料选用Ti-Nb稳定Cr合金，制成了600℃下功率密度不低于0.3W/cm²的MS-SOFC；潍柴于2月18日发布全球首款大功率金属支撑商业化SOFC，热电联产效率达到92.55%。

图四 潍柴发布全球首款大功率金属支撑商业化SOFC

和传统SOFC相比，MS-SOFC的燃料气也有了更优良的适应性，除了大家熟知的氢气以外还能用重整气、天然气、柴油作为燃料气。综合前面的介绍，MS-SOFC也被定义为“新一代SOFC”。

图五 金属支撑SOFC的应用（从左至右依次为微型家用CHP系统、小型发电系统、功率达到1.3MW的H-SOFC系统）

三、小结

在SOC的技术产业化方面，美、日、欧等国相较于我国起步较早、技术先进，目前我国在此领域仍然处于初级探索阶段，但经过20多年的学习和经验积累，我们已经基本掌握了SOC关键材料的制备技术和单电池的量产技术，但同时也面临电池组件可靠性低，成本巨大、运行环境可控性差、不具备研发长期运行的SOC产业化系统的能力等瓶颈。这次产业链与学术研究的长期合作旨在推动SOC产业化发展的脚步，同时也能为各种学术成果带来实际的经济效益保障，对我国未来与别国SOC领域的竞争追逐甚至是超越有重大的战略意义。

粉体圈作者：小张

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