氧化物固体电解质材料制备及原理性电池电学性能测试

氧化物固体电解质材料制备及 原理性电池电学性能测试(古家强，杜清扬，王静，阿吾尔)摘要： 传统的高温燃料 电池SOFC由于高的操作温度 (800-1000 r)而导致了材料选择的困难和成本居高不下，而降低 电池的工作温度到中等温度(550800C)可阻在保持高温燃料电 池优点的同时克服其缺点，当温度降低到800C以下时，阴极界 面电阻随着温度豹降低而迅速增加，并超过薄膜化电解质(厚度 小于30um的YSZ)的电阻两成为电池内阻的主要来源。因而探索 在中等温度下具有较低界面电阻的阴极，降低电池内阻，从而提 高SOFC的能量转化效率，对SOFC的发展具有举足轻重的意义。阴极的界面电阻与其微结构和制备过程密切相关。据实验 验证，采用甘氨酸法制备的粉体蓬松，简易而且产量比较大，我 们在实验中选择了甘氨酸法(GNP闹备了 SDC和LSM的粉体。采 用直接刷涂的方法制备电极，其中电极组成为LSM(50 wt %)+SDC(50 wt %)。制备成功后，我们通过测量SDC的电导率 及电池材料的界面电阻，从而达到测量其电学性能的目的。关键词：甘氨酸法(GNP)； SDC-LSM复合阴极；直接刷 涂制备电极；电导率；界面电阻引言:伴随社会的不断发展和人类生活水平的不断提高，人们对于能源的需求量也不断的增大。虽然宇宙间的能源是无穷 尽的.但是地球上可控能源的储备却是一定的，在目前人类的能 源结构中，一方面，石油和天然气占据了相当的份额；另一方面， 这些能源的使用会释放出大量有污染性的气体，严重危害了人类 的生存境。燃料电池的开发利用正好可以缓解以上矛盾。燃料电池是继水力、火力、原子核能之后的第四代发电技术， 它将燃料(氢气、天然气、煤气、以及各种轻质碳氢化合物)和氧 化剂(氧气)直接反应，使化学能直接转变为电能。由于燃料电池 不需要经过燃烧等中间环节，因而不受卡诺热机效率限制，能量 转换效率高，是一种与传统方式根本不同的能量转换装置。另外， 燃料电池使用过程中NOx、SOx等有害气体排放量很低，工作噪 声也很低，以对环境特别U友好。根据燃料电池电解质材料的不同，通常可分为五大类，即碱 性燃料电池(AFC，Alkaline Fuel Cell)、磷酸燃料电池(PAFC， Phosphoric Acid Fuel Cell)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC， Molten Carbonate Fuel Ceil)、质子交换膜燃料电池(PEMFC， Polymer Electrolyte Fuel Cell)和固体氧化物燃料电池(SOFC，Solid Oxide Fuel CelI)。传统的高温燃料电池SOFC由于高的操作温度(800-1000C) 而导致了材料选择的困难和成本居高不下，而降低电池的工作温 度到中等温度(550800C)可阻在保持高滠燃辩电池优点的同时 克服其缺点，当温度降低到800C以下时，阴极界血电阻随着温 度豹降低而迅速增加，并超过薄膜化电解质(厚度小于30um的 YSZ)的电阻两成为电池内阻的主要来源。因而探索在中等温度下 具有较低界面电阻的阴极，降低电池内阻，从而提高SOFC的能 量转化效率，对SOFC的发展具有举足轻重的意义。Lai-xSrxMnO3(LSM)是固体氧化物燃料电池(SOFCs)的传统阴 极材料，它具有与氧化钇稳定的Zr02(YSZ)，掺杂Ce02(DCO)等电 解质相匹配的热膨胀系数，同时化学与热稳定性高。降低SOFC 的工作温度到800C以下，可大幅降低SOFC的制各和原材料成 本，并可降低其使用成本。随着SOFC操作温度的降低，阴极一 电解质的界面电阻迅速增加，并超过薄膜化电解质(例如，厚度 小于30um的YSZ，8-10 mol%Y2O3)的电阻而成为电池内阻的主 要来源。LSM和YSZ或DCO组成的复合阴极由于扩大了阴极反 应的三相界面(气相、阴极和电解质)，因此比纯LSM阴极具有更 好的性能。在中温条件(550800C)下，掺杂DCO比YSZ有更高的氧离 子电导率.且其电子电导因温度不高而受到一定的抑制。因此本 文以共甘氨酸法制各的Sm0.2Ce0.8O顷(SDC)作为电解质。对于钙钛 矿结构(AB03)的 La1xSrxMnO3，当(La+Sr) / Mn 的比率小于 1. 0 时，会提高粉体的烧结能力，增强阴极与电解质间的附着强度。 所以本章以A位欠化学计量的LSM【(La Sr ) MnO】和SDC 、0.8 0.20.93的复合阴极作为研究对象。