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La_(0.6)Sr_(0.4)Co_(0.2)Fe_(0.8)O_(3-δ)A位缺位型SOFC阴极材料制备及性能研究

付强  
【摘要】: 本课题主要研究La_(0.6)Sr_(0.4)Co_(0.2)Fe_(0.8)O_(3-δ) (以下均简称LSCF)三种AD-LSCF的材料的性能: La_(0.6-z)Sr_(0.4)Co_(0.2)Fe_(0.8)O_(3-δ), La_(0.6-z)Sr_(0.4-z)Co_(0.2)Fe_(0.8)O_(3-δ),(La_(0.6-z)Sr_(0.4))_(1-z)Co_(0.2)Fe_(0.8)O_(3-δ),其中缺位量z=0、0.02、0.05、0.1。从粉体合成、材料导电特性、阴极制备等几方面进行详细深入的研究,填补了AD-LSCF材料研究空白,为研制和开发具有优良综合性能的中低温阴极材料提供实验和理论依据。 采用柠檬酸凝胶溶胶法(Citrate Sol-Gel Method)制备了AD-LSCF粉体。研究结果表明,柠檬酸与金属离子的化学计量比(C/M~(n+))、前驱体溶液pH值、成胶温度、煅烧温度等对溶胶-凝胶的形成及粉料的晶体结构和显微形态有显着的影响。通过优化合成工艺,制备出AD-LSCF体系超细粉料。 采用直流四探针法研究了AD-LSCF陶瓷的电子导电性能。在100~800℃测试温度范围内,样品的电子电导率均随温度的升高而增大,而在400℃附近达到最大值后又减小,AD-LSCF陶瓷的电子导电性符合小极化子导电机理。La_(0.6-z)Sr_(0.4)Co_(0.2)Fe_(0.8)O_(3-δ)在低温段(≤450℃)电子电导率的大小与La缺位量z成反比;而在高温段(≥450℃)电子电导率的大小顺序为:L58SCFLSCFL50SCFL55SCF。Sr缺位的材料La_(0.6-z)Sr_(0.4-z)Co_(0.2)Fe_(0.8)O_(3-δ_的电子电导率与缺位量z成反比。LaSr共缺位材料(La_(0.6-z)Sr_(0.4))1-z)Co_(0.2)Fe_(0.8)O_(3-δ)低温阶段,电子电导率的大小与缺位量z成反比;而高温阶段(LS)90CF的电子电导率变得最大。在三种体系中,L58SCF的电子电导率最高。 采用电子阻塞电极法与交流阻抗法研究了AD-LSCF陶瓷的离子导电性能。使用磁控溅射法制备了电子阻塞电极YSZ,阻塞电极在800℃加热6h,SEM测试表明YSZ厚度为2~3μm,YSZ膜致密,与样品接触良好。获得AD-LSCF材料在400~800℃的氧离子电导率数据。在较低温度段,电导率随温度变化缓慢增加;600℃以后,电导率随温度增加快速增大。在AD-LSCF材料中,离子导电是由于材料中产生的氧空位,在高温下,氧空位既可以作为载流子参与离子导电,又为氧离子的传输提供通道。在三种体系中,L58SCF的氧离子电导率最高。 以L58SCF粉体为研究对象,研究阴极的制备与性能、复合阴极的制备与性能及双层阴极的制备与性能。首先利用SEM与交流阻抗谱研究了几个主要的制备工艺参数对阴极的微观结构及电化学性能的影响:添加剂(碳黑与PVB选为成孔剂、乙基纤维素与PVB选为粘结剂)的选择、阴极涂层厚度的影响(及阴极粉体的用量)、阴极烧结工艺(烧结温度、烧结时间、排胶时间)。研究结果表明用PVB作为成孔剂和粘结剂制备的阴极,不但具有良好的微观结构和理想的电化学性能,还降低了阴极制备成本。XRD测试表明,制备的L58SCF阴极在YSZ电解质表面烧结,没有生成绝缘相SrZrO3。利用优化工艺制备的L58SCF阴极,其极化电阻在800℃、750℃、700℃和650℃时分别为0.183Ω·cm~2、0.33Ω·cm~2、0.59Ω·cm~2和1.37Ω·cm~2。 采用草酸沉淀法制备了(Ce0.8Gd0.2O1.9-δ)GDC粉体。L58SCF粉体与GDC粉体按40:60、50:50、60:40、70:30、80:20的质量比,制备了La0.58Sr0.6Co0.2Fe0.8O3-δ–Ce0.8Gd0.8O3-δ(L58SCF-GDC)复合阴极材料。通过阻抗谱分析,GDC添加量为40%(简写L58SCF-GDC40)的复合阴极极化电阻最小,在800℃为0.07Ω·cm~2。XRD测试表明L58SCF-GDC40阴极在YSZ表面无绝缘杂相La2Zr2O7或SrZrO3生成。采用SEM、背散射电子像研究表明,在L58SCF-GDC40中两相是连续均匀分布的,彼此均成为空间网状结构。能谱测试表明在L58SCF-GDC40与YSZ之间的界面上没有检测到SrZrO3。以L58SCF-GDC40为阴极制备的电池,H2流量为50ml·min-1,800℃测试结果表明最大功率密度为264mW·cm-2。 为进一步提高电池的功率密度,制备了双层阴极,靠近YSZ的为功能层L58SCF-GDC40,在功能层上再涂上集流层L58SCF。从涂刷层数、孔隙率、粉体粒径配比等方面优化了功能层与集流层的制备工艺。用优化后的双层阴极制备电池,H2流量为50ml·min-1,800℃测试结果表明功率密度提高到359mW·cm-2。


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