利用磁控濺射制備固體氧化物燃料電池陰極功能層.pdf

1、中溫固體氧化物燃料電池(Intermediate Temperature Solid Oxide FuelCell，Intermediate Temperature SOFC)是一種環(huán)境友好型能量轉(zhuǎn)換裝置，可以將化學(xué)能高效率地轉(zhuǎn)換為電能。為提高電池陰極與電解質(zhì)層的匹配性，可加入高性能的陰極功能層，其要具備足夠高的電子電導(dǎo)率、足夠長(zhǎng)的三相界面、足夠高的孔隙率、良好的熱膨脹系數(shù)匹配度等等特性。以多孔YSZ薄膜為支架，浸漬高電導(dǎo)率材料（比如N

2、i，LSM等）進(jìn)去而制備的薄膜材料可作為陰極功能層的選擇之一。
　　磁控濺射具有襯底速率高、襯底溫度低、成本低、易操作等優(yōu)點(diǎn)，因而可作為薄膜制備方法的首選。傾斜沉積技術(shù)(Glancing Angle Deposition，GLAD)結(jié)合磁控濺射可制備出高空隙率的薄膜，孔隙率最高可達(dá)40％，且可根據(jù)實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)一步提高。用傾斜沉積技術(shù)制備的薄膜具有傾斜柱狀晶結(jié)構(gòu)，且各柱狀晶之間有空隙，因而可形成較高的孔隙率。利用傾斜沉積技術(shù)可制備具有

3、各種形狀的柱狀晶結(jié)構(gòu)，比如之字形、V形，螺旋形等等。用此技術(shù)制備的薄膜也廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，比如傳感器、太陽(yáng)能電池、燃料電池等等。
　　本文采用反應(yīng)磁控濺射傾斜沉積技術(shù)制備多孔YSZ薄膜，探究不同實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)和性能的影響，得到高空隙率的YSZ薄膜。并通過(guò)浸漬高電導(dǎo)率材料Ni來(lái)制備陰極功能層，并測(cè)試其性能。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和分析最終得到如下結(jié)論:
　　1.反應(yīng)磁控濺射傾斜沉積技術(shù)制備的薄膜具有傾斜柱狀晶結(jié)構(gòu)。不同沉積角下，薄膜的

4、結(jié)構(gòu)和性能會(huì)發(fā)生變化，主要體現(xiàn)在晶體結(jié)構(gòu)、柱狀傾斜角、孔隙率、折射率、透射和反射光譜等上。同時(shí)沉積角對(duì)薄膜的沉積速率也會(huì)產(chǎn)生影響，這主要是由于陰影效應(yīng)和表面吸附原子的遷移效應(yīng)共同作用的結(jié)果。沉積角為60°時(shí)可在相對(duì)較高沉積速率下制備較高空隙率YSZ薄膜。
　　2.在沉積角為0°的實(shí)驗(yàn)條件下制備多孔YSZ薄膜，并測(cè)量其電學(xué)性能隨著溫度的變化而發(fā)生的變化，發(fā)現(xiàn)其電導(dǎo)隨溫度變化趨勢(shì)符合Arrhenius方程，且其電導(dǎo)率與塊材YSZ的電導(dǎo)