離子摻雜對固體氧化物燃料電池鈣鈦礦型連接材料和陰極性能的影響.pdf

1、固體氧化物燃料電池(SOFC)是一種環(huán)境友好，發(fā)電效率高的能源裝置。由于它將燃料中的化學能直接轉化為電能，因此其轉化效率不受卡諾限制。固體氧化物燃料電池堆的主要部件包括：陽極，陰極，電解質和連接材料。我們的研究重點是鈣鈦礦型的陰極和連接材料。
　　 目前，最主要的問題是開發(fā)理想的連接材料。對于連接材料的要求也是所有電池部件中最為嚴格的，這同時也限制了材料的選擇。鉻酸鑭(LaCrO3)是使用最為廣泛的固體氧化物燃料電池連接材料。眾

2、所周知，LaCrO3在空氣中燒結性能較差，熱膨脹系數(shù)不匹配。1000℃下的電導率也較低。本實驗的主要目的是通過摻雜堿土金屬和過渡金屬，以此提高LaCrO3的燒結性能、熱膨脹系數(shù)、電子電導，以及摻雜后的機械強度。
　　 研究發(fā)現(xiàn)，相比摻Sr或摻Mg的LaCrO3而言，摻Ca的LaCrO3(LCC)的燒結性能更好。但是，Sr可以更有效地提高LaCrO3的熱膨脹系數(shù)：摻雜15 mol％的Sr即可使LaCrO3的熱膨脹系數(shù)與8-YSZ電

3、解質的相匹配。此外，摻Ni或Co對提高La1-xSrxCrO3(LSC)的燒結密度和電子電導具有積極的意義。摻雜后的LaCrO3，其logσT對1000/T的線性關系符合小極化子傳導機制。在研究中還發(fā)現(xiàn)，復合摻雜Ni、Co的LSC在高溫下的電導率比單獨摻雜Ni或Co的LSC要高。其熱膨脹系數(shù)介于10.6～10.9×10-6/℃之間。因此本實驗中，復合摻雜的LSC，特別是在1350℃燒結后的La0.85Sr0.15Cr0.95Ni0.02

4、Co0.02O3，可作為固體氧化物燃料電池理想的連接材料。其密度約5.992g/cm3，1000℃下的熱膨脹系數(shù)是10.6×10-6/℃，高溫電導率約為21 S/cm。
　　 陰極材料對于提高電池的輸出功率同樣發(fā)揮重要的作用。近幾年，固體氧化物燃料電池的研究趨勢是向中低溫(500-800℃)方向發(fā)展。傳統(tǒng)的陰極材料La1-xSrxMnO3(LSM)在中溫下的電化學催化性能較差，因此工作溫度的降低要求材料對氧還原反應具有更高的催化

5、活性。鈷酸鑭(LaCoO3)由于是離子電子混合導體，可以擴大氧還原反應的區(qū)域，作為中溫固體氧化物燃料電池陰極材料被受重視。但是它也存在一些不足。當溫度超過900℃，LaCoO3會與8YSZ電解質反應，生成絕緣相La2Zr2O7，增大了界面的極化電阻。此外，它的熱膨脹系數(shù)比較大，與高溫8YSZ電解質和中溫Ce0.8Sm0.2O1.9(SDC)電解質都不匹配。長時間運行以后，會產(chǎn)生熱應力和甚至斷裂。這些年La1-xSrxCo1-yFeyO3

6、(LSCF)得到了廣泛的研究，被認為是理想的陰極材料。然而，其他堿土金屬(AE)和過渡金屬(TM)離子摻雜對LaCoO3性能的影響卻鮮有報道。因此，本實驗通過固相反應合成了La1-xAExCoO3(AE=Ca，Sr，Ba，x=0.2，0.3，0.4)和La0.7Sr0.3Co0.8TM0.2O3(TM=Cu，F(xiàn)e，Ni，Mn)材料，以考察離子摻雜對其晶體結構、熱膨脹、電子電導、化學穩(wěn)定性和電化學性能的影響。
　　 研究發(fā)現(xiàn)，離子

7、摻雜的LaCoO3在1100℃后都形成了單一的鈣鈦礦相。La1-xAExCoO3的熱膨脹率隨著AE摻雜濃度的增加而增加。其中，Lao.7Ca0.3CoO3的熱膨脹系數(shù)最小，為15.9×10-6/℃，降低了SDC電解質的不匹配性。另外，Ca摻雜的LaCoO3在La1-xAExCoO3中具有最高的電子電導率和陰極催化活性。其電導在800℃達到1316.05 S/cm，極化電阻在700℃時只有0.0805Ωcm2。同時，Co位堿土金屬摻雜可以

8、降低La0.7Sr0.3CoO3的熱膨脹系數(shù)，在25-800℃的溫度范圍內約為15.8-16.0×10-6/℃。Cu和Ni摻雜可以提高La0.7Sr0.3CoO3的電子電導率，而Fe和Mn摻雜卻有降低的作用。但是La0.7Sr0.3Co0.8Fe0.2O3和La0.7Sr0.3Co0.8Mn0.2O3的電導率在500-800℃仍然滿足中溫固體氧化物燃料電池陰極材料的要求。試驗中，除了Mn摻雜，Cu，F(xiàn)e和Ni摻雜均能降低La0.7Sr0

9、.3CoO3的極化電阻和過電位。當電流密度為0.15Acm-2，La0.7Sr0.3Co0.8Cu0.2O3，La0.7Sr0.3Co0.8Fe0.2O3和La0.7Sr0.3Co0.8Ni0.2O3的陰極過電位分別為5.8mV，13.04mV，18.55mV，大大低于La0.7Sr0.3CoO3的過電位.此外，所有堿土金屬摻雜的La0.7Sr0.3CoO3與SDC電解質都具有良好的化學穩(wěn)定性。所以在我們的研究中，La0.7Ca0.3C