RP型LaPrNiO陰極在改進的GDC電解質上的電化學性能研究.pdf

1、陰極與電解質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)型層狀鈣鈦礦結構的陰極材料，以其在中溫區(qū)具有較高的離子電導率、高的氧擴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、電解質材料。但是商業(yè)GDC粉中存在SiO2雜質極大的影響著晶界電阻，導致性能下降，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電解質表面性能進行改善，并對La3Ni2O7材料的A位摻雜Pr得到RP結構LaPrNiO陰極，并且將GDC與RP結構陰極結合，以期望得到較高的電池性能。
　　首先，對添加Fe2O3的GDC電解質的性能研究

3、，發(fā)現(xiàn)在高溫燒結1400℃的過程中，F(xiàn)e2O3與SiO2反應生成Fe2SiO4，由于其熔點低于1400oC，高溫下溶融并會在GDC電解質的表面析出，嚴重影響GDC表面以及電極的性能；將GDC電解質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，使得電極與電解質能夠更加良好的接觸，從而使得GDC電解質的電化學性能得到改善，GDC電解質極化阻抗減小50％左右，從而制備出高性能的GDC電解質。
　　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，晶體結構由La3Ni2O7轉變成Pr2NiO4。直流四端法進行的高溫電導率測試表明，當少量的Pr（x=0.4）摻雜時電導率最高，其最大值為70Scm-1。當Pr含量增加到x=2.2時晶體結構發(fā)生轉變，導致電導率比La3Ni2O7結構最大值下降近50%；進行Arrhenius圖擬合，發(fā)現(xiàn)低溫區(qū)接近線性，符合小極化子

5、導電機制。熱膨脹測試分析表明，La3Ni2O7結構具有與GDC最相近的熱膨脹系數(shù)（TEC）。
　　以改進后的GDC為電解質對La3-xPrxNi2O7陰極材料進行半電池測試，其中阻抗譜測試結果表明，當Pr的摻雜量x=1.0時，得到La3Ni2O7結構中最小的極化阻抗，800oC下極化阻抗為0.22Ωcm2；進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區(qū)（TPB）內電荷的轉移過程；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結構中Pr的摻雜量x=1.0時，0.1V的過電位下電流密度為260mAcm-2，進行半電池的橫截面測試發(fā)現(xiàn)電極與電解質接觸良好，并且每個比例的陰極厚度基本相同，說明電化學性能測試基本真實有效。
　　最后，由于La2PrNi2O7陰極在La3Ni2O7結構下具有最優(yōu)的電化學性能，以Ni-GDC為陽極、La2PrNi2O7為陰極、以改進性能后的GDC為電解質制成電解質支撐型單電池，測試出電池