固体氧化物燃料电池LSCF-SDC 纳米复合阴极制备及性能研究

利用硝酸盐溶液一次浸渗工艺在La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ(LSCF)表面涂覆Sm0.2Ce0.8O2(SDC)纳米颗粒,制备了LSCF-SDC纳米结构复合阴极。微观结构分析显示SDC纳米颗粒在LSCF表面均匀分布并且颗粒大小均一。界面阻抗图谱表明SDC浸渗极大的降低了LSCF阴极的界面极化阻抗,在750和650℃仅为0.074,0.44Ω.cm2。LSCF-SDC复合阴极的表观活化能为1.42 eV,略小于纯LSCF阴极。与混合法制备的LSCF-GDC复合电极相比,采用浸渗工艺制备的LSCF-SDC纳米结构复合阴极也显示出良好的电化学催化活性。     

新型固体氧化物燃料电池阴极材料Ca2-xSrxFe2O5的电化学性能研究

采用固相法合成了固体氧化物燃料电池(SOFC)阴极材料2-xSrxFe2O5(x=0.00,0.05,0.10,0.15,0.20),利用XRD和SEM对其结构和微观形貌进行了表征.结果表明该阴极材料与固体电解质Sm0.8Ce0.2O1.9(SDC)在1000℃烧结时不发生化学反应,且烧结4 h后,二者之间可形成良好的接触界面.利用交流阻抗谱技术对阴极材料的电化学性能进行研究,结果显示,阴极上的反应过程主要为电荷的迁移反应,其中Ca1.95Sr0.05Fe2O5电极在空气中700℃下具有最小的极化电阻为0.95Ω·cm2.当测试温度为700℃时,阴极电流密度为74mA·cm-2时,阴极过电位为100mV.     

固-溶法制备中温固体氧化物燃料电池高性能La_(0.8)Sr_(0.2)MnO_3-Ba_(0.5)Sr_(0.5)Co_(0.8)Fe_(0.2)O_3阴极（英文）

研究了新型固溶法合成La0.8Sr0.2MnO3(LSM)包覆Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3(BSCF)复合粉体(LSM-BSCF),并探讨了其作为中温固体氧化物燃料电池阴极材料的电化学性能.LSM-BSCF阴极结合了LSM和BSCF阴极的优点,不仅增大了三相界面,而且稳定了微观结构.当温度为600儃750°C时,其极化阻抗为0.61儃0.09Ω·cm2.与溶液注入法制备的高性能电极相比,极大地提高了性能稳定性.     

中温复合固体电解质SDC-LSGM的制备和性能

采用甘氨酸-硝酸盐法分别制备了Ce0.85Sm0.15O2-δ(SDC)与La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3-δ(LSGM)两种电解质材料, 并用固相混合法将两种材料按不同质量比(SDC与LSGM的质量比分别为9∶1, 8∶2, 5∶5)混合制备复合电解质材料. 采用交流阻抗技术对样品的电学性能进行研究. 实验结果表明, SDC与LSGM的质量比为9∶1(SL91)时, 样品具有较高的电导率, 在350—800 ℃温度范围内其电导率均比SDC的高. 以复合电解质为支撑体, 以Sm0.5Sr0.5CoO3 为阴极、NiO/SDC 为阳极制成单电池, 测试结果显示, 在800 ℃时以SL91为电解质的单电池的最大输出功率密度为0.25 W/cm2, 最大电流密度为1.06 A/cm2. 在电池的工作温度区间(600—800 ℃)内以复合材料为电解质的单电池的开路电压比以SDC为电解质的高.     

TiO2修饰La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ用于中温固体氧化物燃料电池的阴极

纳米TiO2修饰的La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ(LSCF)阴极被直接应用于YSZ电解质电池上. TiO2可阻止LSCF和YSZ间的化学反应,抑制SrZrO3的形成. LSCF-0.25 wt% TiO2阴极电池在0.7 V和600°C下的电流密度是LSCF阴极电池的1.6倍.电化学阻抗谱结果表明, TiO2修饰显著加快了氧离子注入电解质的过程,这可能与TiO2抑制了阴极/电解质界面处高电阻SrZrO3层的形成有关.本文为在ZrO2基电解质上使用高性能的(La,Sr)(Co,Fe)O3阴极材料提供了一种简单有效的方法.     

TiO2修饰La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ用于中温固体氧化物燃料电池的阴极

纳米TiO2修饰的La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-δ(LSCF)阴极被直接应用于YSZ电解质电池上. TiO2可阻止LSCF和YSZ间的化学反应,抑制SrZrO3的形成. LSCF-0.25 wt% TiO2阴极电池在0.7 V和600°C下的电流密度是LSCF阴极电池的1.6倍.电化学阻抗谱结果表明, TiO2修饰显著加快了氧离子注入电解质的过程,这可能与TiO2抑制了阴极/电解质界面处高电阻SrZrO3层的形成有关.本文为在ZrO2基电解质上使用高性能的(La,Sr)(Co,Fe)O3阴极材料提供了一种简单有效的方法.     

Ce0.8Sm0.2O1.9的尿素燃烧法合成与性能

采用以尿素为燃料的燃烧合成法制备Ce0.8Sm0.2O1.9(SDC)氧离子导体材料, 对燃烧合成粉体的物相和显微形态进行了表征, 并研究了燃烧法合成SDC的烧结性能以及烧结体的导电性能. 研究结果表明, 采用尿素燃烧法合成SDC具有简便高效和合成粉体烧结活性高的优点. 经过燃烧过程后即可得到立方萤石结构的纯相SDC粉体, 合成粉体的分散性良好, 为50~150 nm的球形颗粒, 具有高的烧结活性, 在1250 ℃的烧结温度下, 陶瓷样品的相对密度可达到95.1%. 在600和800 ℃的测试温度下, 烧结温度为1250 ℃的陶瓷样品的电导率分别达到5.4×10-2和1.0×10-1 Ω-1·cm-1.     

固体氧化物燃料电池La0.7Sr0.3Cr1-xMnxO3-δ阳极性能研究

采用溶胶凝胶法制备了La0.7Sr0.3Cr1-xMnxO3-δ(x=0.3,0.4,0.5,0.6)系列阳极粉体。在1000℃下焙烧后,XRD结果显示粉体物相为单一的钙钛矿相。制备以La0.7Sr0.3Cr1-xMnxO3-δ为阳极,Ce0.8Sm0.2O1.9(SDC)为电解质,Pr0.6Sr0.4Co0.8Fe0.2O3-δ-SDC复合阴极的电解质支撑型固体氧化物燃料单电池。由扫描电子显微镜(SEM)观察表明单电池电解质致密,阳极孔径分布均匀,厚度约为20μm,多孔阴极厚度为10μm。采用直流四电极法测试以La0.7Sr0.3Cr0.5Mn0.5O3-δ为阳极用湿氢气作燃料时在800℃下获得最大输出功率为232.84 mW.cm-2,短路电流为0.92 A.cm-2。     

Gd1-xSrxCoO3-δ和Gd0.8Sr0.2Co1-yFeyO3-δ系阴极材料的制备和性能

采用甘氨酸-硝酸盐(GNP)法合成了新型中温固体氧化物燃料电池(IT.SOFC)的阴极材料Gd1-xSrxCoO3-δ(x=0-0.5)和Gd.0.8Sr0.2Co1-yFeyO3-δ(y=0-1),所合成的初始粉体在800℃下煅烧12 h后均形成了钙钛矿结构的单相固溶体.研究发现,Gd1-xSrxCoO3-δ(GSC)的电导率在600℃时达到了559 S·cm-1,由Ce0.8Cd0.2O2-δ(GDC)电解质和GSC-25GDC材料组成的对称电极在600℃和700℃的界面阻抗分别为0.170Ω·cm2和0.064Ω·cm2,活化能仅为87.8 kJ·mol-1,预示其可以作为ITSOFC较为理想的阴极备选材料;随着Fe3 离子含量的增加,Gd0.8Sr0.2Co1-yFeyO3-δ系列阴极材料的热膨胀系数显著降低,但其电导率也急速下降;此外,通过调整Gd0.8Sr0.2CoO3-δ与GDC的比例可以制备出热膨胀系数与GDC电解质匹配、性能良好的Cd0.8Sr0.2CoO3-δ/GDC复合阴极材料.     

SOFC阴极材料LSM的合成及性能研究

分别采用固相法、甘氨酸-硝酸盐燃烧法和溶胶-凝胶法制备了固体氧化物燃料电池阴极材料La0.8Sr0.2MnO3(LSM)。将合成的粉体在不同的温度下烧结,并通过XRD确定粉末成相最低烧结温度为900℃;利用扫描电镜(SEM)对合成的粉体进行微观结构的观察和分析;采用Van-der Pauw四电极法测量片状阴极的直流电阻进而计算电导率;采用三电极法研究LSM阴极材料的电化学性能;结果表明,溶胶-凝胶法制备的LSM阴极与电解质的界面阻抗最小。同时,将3种方法制备的LSM应用到多孔阳极支撑型的固体氧化物燃料电池上,制备成全电池,并采用四电极法对全电池的输出性能进行测试分析,结果表明,溶胶-凝胶法制备的LSM阴极材料电化学性能良好,最大输出功率密度达317mW.cm-2。因此,溶胶-凝胶法合成的LSM粉末能够有效满足固体氧化物燃料电池阴极材料的要求。     

致密的5%Al3+掺杂的SnP2O7-SnO2复合陶瓷在中温燃料电池中的应用

首先制备了未掺杂和5%(摩尔分数)Al³⁺掺杂SnO₂的多孔性基片, 然后将基片与85%的H₃PO₄在600℃下反应, 分别得到了致密的未掺杂和5%Al³⁺掺杂的SnP₂O₇-SnO₂复合陶瓷样品. 采用X射线衍射(XRD), 扫描电子显微镜(SEM)和X射线能量色散谱(EDS)测试方法对样品进行了表征, 采用电化学阻抗谱法(EIS)测试了样品在中温(100-250℃)下, 湿润空气和湿润氢气气氛中的电导率. 结果表明, 在湿润空气和湿润氢气中, 5%Al³⁺掺杂的SnP₂O₇-SnO₂复合陶瓷样品的电导率均高于未掺杂的SnP₂O₇-SnO₂复合陶瓷样品的电导率, 且该复合陶瓷样品在湿润空气和湿润氢气中250℃下, 电导率分别达到最大值: 4.30×10^-2和6.25×10^-2 S·cm^-1, 高于至今报道的SnP₂O₇-SnO₂基复合陶瓷及SnP₂O₇基陶瓷在类似条件下的电导率. 以5%Al³⁺掺杂的SnP₂O₇-SnO₂复合陶瓷样品(厚度: 1.45 mm)为电解质, 多孔性铂为电极组装成的氢气/空气燃料电池具有良好的中温电池性能, 175、200、250℃的最大输出功率密度分别为52.0、61.9、82.3 mW·cm^-2. 良好的中温电池性能与该复合陶瓷电解质较高的电导率和致密度及该燃料电池较低的界面极化电阻有关.     

MnO_2/NiCo_2O_4的静电自组装合成及其电化学性能

通过带负电荷的MnO2纳米片与带正电荷的Co-Ni层状双氢氧化物(LDHs)纳米片的静电自组装外加后续热处理合成了异质层状结构的MnO2/NiCo2O4复合物.采用X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外(FTIR)光谱、拉曼光谱、原子吸收光谱(AAS)、场发射扫描电镜(FESEM)和透射电子显微镜(TEM)对其结构和形貌进行了表征.用循环伏安(CV)、恒流充放电和电化学交流阻抗技术对其电化学性能进行了测试.研究结果表明,该方法制得的异质复合物具有多孔层状堆垛结构,这种特殊的结构不仅增大了电解液离子的接触面积,而且还为其嵌入-脱出提供了有效途径.该复合物在1 A·g-1电流密度时,-0.6-0.45 V电位窗口内的比电容达482 F·g-1,优于纯组分MnO2和NiCo2O4的电容性能.     

Li2O-TiO2-SiO2-P2O5和Li2O-TiO2-Al2O3-P2O5体系锂离子固体电解质的制备及性能研究

一些具有NASICON型网格结构的固体电解质具有高的电导率和好的稳定性,NASICON的意思是Na Super Ionic Conductor[1]。当NaZr2(PO4)3中P5 被Si4 部分取代时便可以得到具有NASICON结构的Na1 xZr2SixP3-xO12体系,其具有高的钠离子电导率。然而有相同结构的Li1 xZr2SixP3-xO12体系的离子电导率却很低,这是因为Li 半径太小,而NASICON三维网格结构的离子通道太大,两者不匹配而使电导率下降[2]。但当LiZr2(PO4)3中Zr4 被离子半径小些的Ti4 取代,所得LiTi2(PO4)3的通道就与Li 半径相匹配,适合于锂离子的迁移,从而使其电导率…     

氨蒸发诱导法制备纳米结构LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2及其作为高功率型锂离子电池正极材料的性能

采用氨蒸发诱导法成功制备出纳米结构LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂正极材料,借助X射线衍射（XRD）分析、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、高分辨率透射电镜（HRTEM）、能量分散谱（EDS）和比表面测试等表征手段及恒电流充放电测试研究了其晶体结构、微观形貌和电化学性能. 研究表明该方法制备出的材料具有良好的α-NaFeO₂层状结构,阳离子混排程度低. 纳米片交错堆积而成核桃仁状形貌,片与片之间形成许多纳米孔,而且纳米片的侧面属于{010}活性面,能够提供较多的锂离子的脱嵌通道. 在室温下及3.0-4.6 V充放电范围内,该材料在电流密度为0.5C、1C、3C、5C和10C时放电比容量分别为172.90、153.95、147.09、142.16 和131.23mAh·g^-1. 说明其具有优异的电化学性能,非常有潜力用于动力汽车等高功率密度锂离子电池中.     

High performance protonic ceramic membrane fuel cells (PCMFCs) with Ba0.5Sr0.5Zn0.2Fe0.8O3−δ perovskite cathode

Protonic ceramic membrane fuel cells (PCMFCs) based on proton-conducting electrolytes have attracted much attention because of many advantages, such as low activation energy and high energy efficiency. BaZr_0.1Ce_0.7Y_0.2O_3−δ (BZCY7) electrolyte based PCMFCs with stable Ba_0.5Sr_0.5Zn_0.2Fe_0.8O_3−δ (BSZF) perovskite cathode were investigated. Using thin membrane BZCY7 electrolyte (about 15 μm in thickness) synthesized by a modified Pechini method on NiO-BZCY7 anode support, PCMFCs were assembled and tested by selecting stable BSZF perovskite cathode. An open-circuit potential of 1.015 V, a maximum power density of 486 mW cm⁻², and a low polarization resistance of the electrodes of 0.08 Ω cm² was achieved at 700 °C. The results have indicated that BZCY7 proton-conducting electrolyte with BSZF cathode is a promising material system for the next generation solid oxide fuel cells.     

中温固体氧化物燃料电池La1.6Sr0.4Ni1-xCuxO4阴极材料的制备及电化学性能

采用甘氨酸-硝酸盐法合成了中温固体氧化物燃料电池阴极材料La_1.6Sr_0.4Ni_1-xCu_xO₄ (x=0.2, 0.4, 0.6,0.8), 利用X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对其结构和微观形貌进行了表征. 结果表明, 该阴极材料与固体电解质Ce_0.9Gd_0.1O_1.95(CGO)在1000 °C烧结时不发生化学反应, 且烧结4 h 后, 二者之间可形成良好的接触界面. 利用电化学交流阻抗谱技术对阴极材料的电化学性能进行研究, 结果显示, 当Cu离子掺杂量(x)为0.6 时, La_1.6Sr_0.4Ni_0.4Cu_0.6O₄阴极具有最小的极化电阻, 在空气中当测试温度为750 °C时, 极化电阻为0.35 Ω·cm². 在不同氧分压条件下电化学阻抗谱分析结果表明, 电极上的两个氧还原反应主要包含氧离子从三相界面向电解质CGO 转移的过程和电荷的迁移过程, 其中电荷的迁移过程为电极反应的速率控制步骤.La_1.6Sr_0.4Ni_0.4Cu_0.6O₄电极在空气中700 °C和阴极电流密度为45 mA·cm^-2时, 阴极过电位为45 mV. 本研究的初步结果表明La_1.6Sr_0.4Ni_1-xCu_xO₄材料是一种电化学性能较为优良的新型中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)阴极材料.     

Sn0.9Mg0.1P2O7的中温离子导电性

采用固相法合成了Sn_0.9Mg_0.1P₂O₇, 用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)测试方法对样品进行了表征. 粉末XRD结果表明, 该样品为单一立方相SnP₂O₇结构. 采用多种电化学方法研究了样品在中温范围内(323-523 K)质子和氧离子导电性. 样品在湿润氢气气氛中423 K下, 电导率达到最大值5.04×10^-2 S·cm^-1. 该样品在氢气气氛中的离子、质子、氧离子和电子迁移数(N_t)分别为0.95-1.00、0.84-0.96、0.04-0.10和0.00-0.05, 该样品在氢气气氛中几乎是一个纯离子导体, 其中, 质子导电为主, 同时具有一定的氧离子导电和少量的电子导电. 以该样品为燃料电池固体电解质, 组装氢气/空气燃料电池, 在398、423和448 K时最大输出功率密度分别为18.7、27.7和33.9 mW×cm^-2.     

Effect of fuel choice on conductivity and morphological properties of samarium doped ceria electrolytes for IT-SOFC

The present investigation is emphasized on the effect of various combustion agents on the crystal properties, surface microstructure, and oxygen ion conductivity of 20% mole-Sm doped ceria (Ce_0.80Sm_0.20O_1.90/SDC20) ceramics as solid electrolyte for IT-SOFCs. The most widely used combustion agents for engineering ceramic production as ethylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, L-alanine, L-valine, glycine, citric acid monohydrate, urea, and EDTA-citric acid were compared in terms of SDC20 properties. X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), thermogravimetric analysis (TGA), and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) were used to determine the microstructure properties, crystal structure and ionic conductivity of SDC20 powder. XRD pattern of the ceramics revealed the formation of single-phase fluorite structure. According to the results of electrochemical analysis, the maximum total ionic conductivity was observed in SDC20 electrolyte synthesized using triethylene glycol as the fuel among all the synthesized electrolytes (5.72 x 10^–2 S.cm^–1).     

固-溶法制备中温固体氧化物燃料电池高性能La0.8Sr0.2MnO3-Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3阴极

研究了新型固溶法合成La_0.8Sr_0.2MnO₃（LSM）包覆Ba_0.5Sr_0.5Co_0.8Fe_0.2O₃（BSCF）复合粉体（LSM-BSCF）,并探讨了其作为中温固体氧化物燃料电池阴极材料的电化学性能。LSM-BSCF阴极结合了LSM和BSCF阴极的优点,不仅增大了三相界面,而且稳定了微观结构。当温度为600-750℃时,其极化阻抗为0.61-0.09 Ω·cm²。与溶液注入法制备的高性能电极相比,极大地提高了性能稳定性。     

纳米LiMnPO_4的制备与电化学性能表征

采用两步加热Polyol法制备了纳米LiMnPO4正极材料,详细研究了第一加热平台温度T1(T1=100,110,120,130,140,150°C)对样品物理性质及电化学性能的影响.通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)及比表面积测试(BET)对样品的晶体结构与微观形貌进行了表征.结果表明,在不同温度T1下得到的样品均为片状结构;T1=100-120°C时合成的样品含有杂相,且比表面积小于15 m2?g-1;在T1=130°C时,得到纯相LiMnPO4样品,且比表面积增至46.3 m2?g-1;随着T1的进一步升高,样品比表面积稍有下降,维持在35-37 m2?g-1之间.纳米LiMnPO4的电化学性能变化趋势与比表面积基本一致,T1=130°C时合成的样品呈现最优的电化学性能,在0.1C倍率下放电容量达到129 mAh?g-1,在5C倍率时达到81 mAh?g-1,这表明LiMnPO4的比表面积是决定其电化学性能的关键因素之一.