RP型LaPrNiO陰極在改進(jìn)的GDC電解質(zhì)上的電化學(xué)性能研究.pdf

1、陰極與電解質(zhì)作為固體氧化物燃料電池（SOFC）的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣對SOFC有著很大的影響。最近被稱為Ruddlesden–Popper(簡稱RP)型層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的陰極材料，以其在中溫區(qū)具有較高的離子電導(dǎo)率、高的氧擴(kuò)散能力與表面交換能力而被人們所重視，成為中溫SOFC（IT-SOFC）最具潛力的陰極材料之一。Gd0.1Ce0.9O1.95（GDC）由于其在中溫具有較高的離子電導(dǎo)率，而且與RP型陰極材料熱匹配度較高，常被選用作為

2、電解質(zhì)材料。但是商業(yè)GDC粉中存在SiO2雜質(zhì)極大的影響著晶界電阻，導(dǎo)致性能下降，研究表明加入適量的Fe2O3可有效地清除SiO2，但是與此同時帶來的影響是極化電阻會變大，表面性能變差，這對陰極材料的研究極為不利。本文對商業(yè)GDC電解質(zhì)表面性能進(jìn)行改善，并對La3Ni2O7材料的A位摻雜Pr得到RP結(jié)構(gòu)LaPrNiO陰極，并且將GDC與RP結(jié)構(gòu)陰極結(jié)合，以期望得到較高的電池性能。
　　首先，對添加Fe2O3的GDC電解質(zhì)的性能研究

3、，發(fā)現(xiàn)在高溫?zé)Y(jié)1400℃的過程中，F(xiàn)e2O3與SiO2反應(yīng)生成Fe2SiO4，由于其熔點(diǎn)低于1400oC，高溫下溶融并會在GDC電解質(zhì)的表面析出，嚴(yán)重影響GDC表面以及電極的性能；將GDC電解質(zhì)的兩個表面分別覆蓋一個Al2O3板，以便于除去在表面析出的Fe2SiO4，使得電極與電解質(zhì)能夠更加良好的接觸，從而使得GDC電解質(zhì)的電化學(xué)性能得到改善，GDC電解質(zhì)極化阻抗減小50％左右，從而制備出高性能的GDC電解質(zhì)。
　　其次，采用溶

4、膠-凝膠（sol-gel）法合成La3-xPrxNi2O7（x=0.0-3.0）系列陰極材料，物相分析發(fā)現(xiàn)隨Pr摻雜量的增多，晶體結(jié)構(gòu)由La3Ni2O7轉(zhuǎn)變成Pr2NiO4。直流四端法進(jìn)行的高溫電導(dǎo)率測試表明，當(dāng)少量的Pr（x=0.4）摻雜時電導(dǎo)率最高，其最大值為70Scm-1。當(dāng)Pr含量增加到x=2.2時晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致電導(dǎo)率比La3Ni2O7結(jié)構(gòu)最大值下降近50%；進(jìn)行Arrhenius圖擬合，發(fā)現(xiàn)低溫區(qū)接近線性，符合小極化子

5、導(dǎo)電機(jī)制。熱膨脹測試分析表明，La3Ni2O7結(jié)構(gòu)具有與GDC最相近的熱膨脹系數(shù)（TEC）。
　　以改進(jìn)后的GDC為電解質(zhì)對La3-xPrxNi2O7陰極材料進(jìn)行半電池測試，其中阻抗譜測試結(jié)果表明，當(dāng)Pr的摻雜量x=1.0時，得到La3Ni2O7結(jié)構(gòu)中最小的極化阻抗，800oC下極化阻抗為0.22Ωcm2；進(jìn)行不同氧分壓下的阻抗譜分析，可知影響電極過程的主要是三相反應(yīng)區(qū)（TPB）內(nèi)電荷的轉(zhuǎn)移過程；極化曲線測試發(fā)現(xiàn)，Pr含量越多同一

6、過電位下電流密度越大，在所成La3Ni2O7結(jié)構(gòu)中Pr的摻雜量x=1.0時，0.1V的過電位下電流密度為260mAcm-2，進(jìn)行半電池的橫截面測試發(fā)現(xiàn)電極與電解質(zhì)接觸良好，并且每個比例的陰極厚度基本相同，說明電化學(xué)性能測試基本真實(shí)有效。
　　最后，由于La2PrNi2O7陰極在La3Ni2O7結(jié)構(gòu)下具有最優(yōu)的電化學(xué)性能，以Ni-GDC為陽極、La2PrNi2O7為陰極、以改進(jìn)性能后的GDC為電解質(zhì)制成電解質(zhì)支撐型單電池，測試出電池