可逆固体氧化物电池薄膜氧电极LSCF-10GDC的厚度—电化学性能研究

作     者：王章苇 

作者单位：景德镇陶瓷大学 

学位级别：硕士

导师姓名：罗凌虹;程亮

授予年度：2023年

学科分类：0808[工学-电气工程] 081704[工学-应用化学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：可逆固体氧化物电池 LSCF-10GDC氧电极 电化学性能 

摘      要：可逆固体氧化物电池(Reversible Solid Oxide Cell,R-SOC)因其将燃料的化学能直接转化为电能和将电能转化为化学能的特性且具备燃料利用率高,对环境友好等优点而被广泛研究。R-SOC中低温化能够解决高温引起的高花费和高封接难度问题,使其成为研究热点之一。通过提高电极的催化活性和降低电解质厚度或使用离子电导率更高的电解质材料是解决运行温度降低导致欧姆阻抗增大、电极催化活性降低等问题的有效方法。氧电极作为速率控制步骤,提高其催化活性相当关键。相比于纯电子导体LaSrMn O(LSM)氧电极,混合离子-电子导体LaSrCoFeO(LSCF)氧电极对氧的催化活性更高,使其在中低温下具备更大的优势。但是LSCF基材料与传统的YZrO(YSZ)电解质在较低温度下便会发生反应。故需要在YSZ电解质与LSCF基氧电极间制备一层GDC阻挡层以阻止两者间反应同时也能改善热匹配性。本课题通过丝网印刷工艺制备并优化CeGdO(20GDC)阻挡层和调控LaSrCoFeO-CeGdO(LSCF-10GDC)复合氧电极厚度提高其电化学性能。主要研究结论如下:(1)采用溶胶-凝胶法制备了20GDC粉体并制备阻挡层。探究不同温度煅烧粉体和20GDC阻挡层不同烧成温度对电性能的影响。结果表明,相比于800℃,600℃煅烧粉体的比表面积过高,与YSZ电解质结合差。相比于1150℃和1350℃,当20GDC阻挡层烧成温度为1250℃时,Ce元素和Zr元素扩散与界面结合达到了较好的平衡。制备的Ni O-YSZ||YSZ||20GDC||LSCF-10GDC单电池电化学性能最佳,在750℃下,具有最小的欧姆阻抗,最大功率密度为894 m W·cm。(2)为探究LSCF-10GDC氧电极厚度对其电化学性能的影响。通过拟合对称氧电极电池的EIS阻抗和DRT分析发现,氧电极厚度对氧分子的吸附/脱附-解离过程影响显著;随着氧电极厚度的提高,其对氧气的扩散过程的阻碍作用越强。相比于5μm和22μm,当氧电极厚度为12μm时,具有最低的极化阻抗,为0.0343Ω·cm(750℃)。对不同厚度氧电极的Ni O-YSZ||YSZ||20GDC||LSCF-10GDC单电池测试发现,氧电极厚度为12μm的单电池具备最优的性能。在SOFC模式下,以3 vol.%HO+97 vol.%H为燃料气,静态空气为氧化剂,800℃下,极化阻抗为0.24Ω·cm,最大功率密度为1098 m W·cm。在SOEC模式下,以70 vol.%CO+30vol.%H(3 vol.%HO)为燃料气,800℃下,其极化阻抗为0.342Ω·cm,1.5 V下的电流密度为1.397 A·cm。