攻克高浓度电池浆料颗粒分析的技术壁垒

21世纪，人类无时无刻不在金山银山与绿水青山之间做取舍。

海洋冰川消融，海平面上升，生活在内陆的人们为了延缓全球变暖的进程，也在通过车辆限行、提倡绿色出行等手段减少温室气体的排放。

科学家在努力开发不排放温室气体的清洁能源，其中，燃料电池*就是备受关注的清洁能源之一。尽管燃料电池已经在汽车行业得到应用，但要实现进一步的商业化，仍需持续降低成本、提高耐用性和效率。

*燃料电池：一种将燃料与氧化剂的化学能通过电化学反应直接转换成电能的发电装置，被誉为是继水力、火力、核电之后的第四代发电技术。

HORIBA 采访了东京工业大学的 Takashi Sasabe 副教授，他正在开发高效燃料电池系统。

要构建高效的燃料电池系统，设计精良的 "反应场所 "至关重要。

以氢-氧燃料电池系统为例，氢气和氧气分别从燃料电池的两端供应，并在催化剂层这一“反应场所”相遇，发生化学反应，将化学能转化为电能。

催化剂层的核心是催化剂浆料，它由碳载体、贵金属催化剂、离子型聚合物和有机溶剂的混合物颗粒组成。浆料被涂覆在薄膜上，经过干燥后形成纳米或微米级的薄片，用于承载燃料电池的化学反应。

由于几乎所有必要的化学反应都发生在催化剂层的这一纳米结构中，科学家在催化剂层材料设计和机理剖析上投入了大量精力。

然而，这一过程却极具挑战，因为构成催化剂层的核心——催化剂浆料的分析非常困难。

催化剂层的设计重要点是电子 (e^-)、质子 (H⁺) 和氧气 (O₂) 的顺利传输以及更活跃的反应位点。

离子型聚合物是质子（H⁺）传输的重要因素，设计时需要控制离子型聚合物均匀地包覆在碳支撑催化剂周围。然而，离子型聚合物对氧气（O₂）的传输效率较低，因此涂层厚度不宜太厚。要实现质子（H⁺）和氧气（O₂）的最佳传输，催化剂浆料中离子聚合物的分散是关键，而粒度分布是判断浆料分散或聚集情况的重要方法。

颗粒分布是评价浆料分散或聚集的重要指标，但准确表征浆料的颗粒分布充满挑战。这是由于浆料由不同尺度的颗粒混合物组成（粒径分布范围宽），且颗粒的分散状态容易发生改变。

燃料电池的催化剂浆料通常浓度较高，必须进行稀释后才能进行颗粒分析。然而，一旦浆料被稀释，颗粒的分散状态就会发生变化，粒度分布结果也会随之发生变化，无法反映浆料稀释前的真实情况，也就无法可靠的预判燃料电池的性能。

“我们咨询了很多粒度分析仪供应商，希望能在不稀释浆料的前提下进行颗粒分析。” Takashi Sasabe 副教授表示，“可是，几乎所有供应商的回答都是否定的。只有 HORIBA 给出了积极的答复。HORIBA 对我们的样品进行了测试，并对比我们的传统方法——扫描电子显微镜（SEM），对测试结果进行了验证。”  

“浆料稀释前后的粒径分布会不同，无法反映浆料真实的分散状态。如果没有 HORIBA 的解决方案，我们无法得到接近真实的粒径分布结果，也就无法通过这个信息来预估电池性能。” Takashi Sasabe 副教授表示。

HORIBA 给出的解决方案是 Partica LA-960V2 激光粒度分析仪，它可以选配高浓度样品池，无需稀释即可表征电池浆料的粒径分布。

Takashi Sasabe 副教授想要通过分析催化剂浆料的分散程度来预测催化剂层的结构。

“要了解催化剂浆料的结构非常困难。虽然我们可以通过 SEM 观察催化剂浆料的纳米级结构，但只能获得局部图像，不具有代表性。不仅如此，催化剂浆料等聚合物材料可能会被电子束损坏，进而影响检测结果的真实性。” Takashi Sasabe 副教授表示。

因此，要评估催化剂浆料与燃料电池性能之间的相关性，就必须采用传统方法，使用各种材料组装一个实际的燃料电池再进行检测，这将耗费大量的时间和成本。

Takashi Sasabe 副教授的这项研究，使科学家能够通过催化剂浆料的分散状态，来预测催化剂层的结构。

这将大大减少评估燃料电池性能所需的实验步骤。