中温固体氧化物燃料电池LaBaCo_2O_(5+σ)基双钙钛矿阴极材料的性能研究

【摘要】能源是整个世界发展、国家经济增长的最基本的驱动力，是人类生存和发展的基础。二十一世纪，是经济高速发展的时代，伴随着的是能源需求的日益增加以及传统石化能源的日益枯竭，我们正面临着能源严峻的考验。因此新型清洁，可再生的能源日益成为了人们关注的焦点。燃料电池（SOFC）是一种非常有前景的高效清洁型能量转换装置，其能量转换效率高，对环境友好，不排放有害气体，因此燃料电池成为了新世纪最有发展前景的电池之一。阴极是固体氧化物燃料电池的一个重要组成部分，阴极也叫空气电极，阴极材料的好坏直接影响着单电池的性能。近几年A-位有序的钙钛矿结构引起了人们的关注，有研究表明，有序的A-位钙钛矿结构，有利于氧离子的输运，因而能促进O2-的扩散，并且能增加反应的表面活性。这类有序的钙钛矿结构的阴极材料被广泛的应用在了固体氧化物燃料电池中，成为了最有前景的阴极材料之一。双钙钛矿结构是高度有序化分布的，Ln3+和Ba2+有序的排列，并沿着c轴形成有序的交替层。双钙钛矿材料LaBaCo2O5+δ已经被证实具有很好的电化学性能，但是由于钴基材料通常具有较大的热膨胀系数（TEC），这与传统的电解质相比差距较大，使得阴极材料与电解质材料的热匹配性能不好，从而使整个电池的输出功率密度都大大降低。为进一步寻找更适合的中温固体氧化物燃料电池（IT-SOFC）阴极材料，我们以LaBaCo2O5+δ材料为基础，进行了用Sr替代Ba的掺杂方法，来研究其作为IT-SOFC阴极材料的可能性。本文研究了双钙钛矿阴极材料LaBa1xSrxCo2O5+δ(x=0.0,0.25,0.5,0.75,1.0)的结构，微观形貌，导电性，与电解质的匹配程度，以及电化学性能。研究结果表明LaBa0.75Sr0.25Co2O5+δ阴极材料表现出了优良的阴极性能，之后又进一步研究了LaBa0.75Sr0.25Co2O5+δ-Ce0.85Sm0.15O1.925复合阴极的性能，对该复合材料体系作为IT-SOFC阴极的可行性进行了研究。本文用EDTA-柠檬酸溶胶凝胶法制备了阴极材料LaBa1xSrxCo2O5+δ(x=0.0,0.25,0.5,0.75,1.0)，XRD测试结果表明样品LaBa0.75Sr0.25Co2O5+δ经过1000℃烧结了10小时后，形成了单相层状钙钛矿结构。在30850oC温度范围内，样品LaBa0.75Sr0.25Co2O5+δ的平均热膨胀系数（TEC）为22.267×106K1。在600-800oC温度范围内，样品LaBa0.75Sr0.25Co2O5+δ的电导率为425-619Scm1。800oC时LaBa0.75Sr0.25Co2O5+δ阴极的极化电阻为0.04651cm2。800oC时以LaBa0.75Sr0.25Co2O5+δ为阴极，以Ni0.9Cu0.1-SDC为阳极，SDC为电解质的单电池，功率密度为480.27mW/cm2。复合阴极一方面可以扩大阴极、电解质和空气的三相界面，使阴极的氧气还原反应区扩散到整个阴极表面；另一方面也可以改善其与电解质的热匹配性及其与界面的微观结购，使两者结合的更好，丛而降低其阴极极化电阻，提高电化学性能。基于以上考虑，我们用阴极材料LaBa0.75Sr0.25Co2O5+δ与SDC电解质以不同的质量比进行混合，做出复合阴极，期望以此来进一步改善阴极材料的阴极性能，使其满足IT-SOFC阴极材料性能的要求。本文研究了阴极LaBa0.75Sr0.25Co2O5+δ(LBSC)与电解质Ce0.85Sm0.15O2-δ(SDC)按质量比进行复合形成了LBSC-XSDC(X=0,20,30,40,50)复合阴极材料。LBSC-50SDC复合阴极具有最小的TEC，在30850oC温度范围内，平均TEC值为14.9×106K1。LBSC-XSDC复合阴极的导电性随着SDC加入量的增加逐渐降低。在阴极中加入电解质SDC，复合阴极的电化学性能明显得到了提高。其中LBSC-30SDC复合阴极表现出最优的阴极材料性能，800oC时，该复合阴极的极化电阻值为0.02437cm2。800oC时以LBSC-30SDC为阴极，以Ni0.9Cu0.1-SDC为阳极，SDC为电解质的单电池的最大功率密度达到了545.75mWcm2。综合以上实验结果表明该阴极是一种很有应用前景的IT-SOFC阴极材料。
【作者】张立军；
【导师】刘晓梅；
【作者基本信息】吉林大学，凝聚态物理，2014，硕士
【关键词】固体氧化物燃料电池；LaBa1-xSrxCo2O5+δ；LBSC-XSDC；

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