科技日報記者 魏依晨 通訊員 舒越
近日，南昌航空大學動力與能源學院（綠色通用航空動力江西省重點實驗室）教師劉智勇、孫海俊牽頭，聯合西安理工大學、西北工業大學研究人員在鈣鈦礦離子導體領域取得突破。團隊創新性地通過精準調控NaNbO3基陶瓷的A位非化學計量比，誘導形成“缺陷類型—氧八面體畸變—離子通道”的動態適配體系，成功構建兼具可調離子和定向離子高傳導性的新型陶瓷，其核心機理突破為固態電池離子傳導材料研發提供了全新範式。該研究成果發表于《自然·通訊》。
航空發動機高溫傳感、航天器燃料電池等核心組件，要求器件在寬溫域、強振動環境下，實現特定離子的定向高效傳輸，而傳統鈣鈦礦型離子導體的傳導機理存在固有局限：晶格結構的剛性特徵導致離子通道尺寸固定，無法適配不同離子的遷移需求；單一缺陷調控模式難以破解“離子遷移率”與“結構穩定性”的制衡關係，最終形成固態電池離子傳導材料的機理層面關鍵難題。
研究團隊依託能源動力領域的理論積累，借助XRD精修、高分辨TEM表徵與阻抗譜分析等技術手段，揭示了鈣鈦礦NaNbO3基陶瓷離子傳導的核心調控機理：鈉元素含量的動態變化成為晶格缺陷類型轉變的“觸發因子”，當鈉含量低於化學計量比時，晶格中形成鈉空位缺陷，驅動NbO6氧八面體發生壓縮畸變，使得氧離子遷移路徑的晶格阻力降低；當鈉含量高於化學計量比時，間隙鈉原子的引入誘導NbO6氧八面體呈現傾斜扁平化特徵，Na-O-Na與Na-O-Nb網絡的間隙尺寸被精準調控，為鈉離子遷移構建出低阻礙通道。這種“缺陷類型決定晶格構型，晶格構型適配離子傳導”的機理邏輯，實現了氧離子與鈉離子傳導路徑的按需設計，從根本上破解了傳統固態電解質單一離子傳導的機理瓶頸。同時，Pbma正交相結構在寬溫域範圍內保持熱力學穩定，避免了極端溫度循環下的相變開裂，適配航空發動機的高溫工作環境與深空探測器的溫差變化場景，契合未來航空航天能源動力的發展需求。
（南昌航空大學供圖）
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