由于復合材料中兩種材料之間的反應有限,因此形成了新的界面相,這也會在鈣鈦礦中形成A位點缺陷,從而該復合材料顯示出高活性和優(yōu)異的穩(wěn)定性。究其原因,作者認為降低的TEC,優(yōu)化鈣鈦礦相以及熱機械穩(wěn)定性的協(xié)同作用,共同實現(xiàn)了SOFC復合陰極優(yōu)異的電化學性能。
固體氧化物燃料電池(SOFC)作為能量轉(zhuǎn)換裝置的商業(yè)發(fā)展面臨的一個挑戰(zhàn)是熱機械不穩(wěn)定性。由于不同燃料電池組分之間的熱膨脹系數(shù)(TECs)不匹配,引起的大的內(nèi)部應變是造成這種不穩(wěn)定的主要原因,從而可能導致電池退化、分層或斷裂。其中,中溫固體氧化物燃料電池SOFC的最流行的正極材料是含鈷鈣鈦礦,在之前的研究中,為了降低鈷基電極的TEC值,已經(jīng)進行了相當大的努力。但是,這些策略中的大多數(shù)都可以將鈷基電極的TEC值降低到合適的程度,但無法完全匹配電解質(zhì)的TEC值,同時可能對氧還原反應(ORR)活性產(chǎn)生負面影響。今日,南京工業(yè)大學邵宗平教授,周嵬教授團隊(通訊作者)通過引入熱膨脹補償策略,以此實現(xiàn)陰極與其他電池構(gòu)件之間熱機械兼容。作者使用反應燒結(jié)將具有高電化學活性和大熱膨脹系數(shù)的鈷基鈣鈦礦與負熱膨脹材料結(jié)合在一起,從而形成具有與電解質(zhì)良好匹配的熱膨脹性能的復合電極。在煅燒過程中,由于復合材料中兩種材料之間的反應有限,因此形成了新的界面相,這也會在鈣鈦礦中形成A位點缺陷,從而該復合材料顯示出高活性和優(yōu)異的穩(wěn)定性。究其原因,作者認為降低的TEC,優(yōu)化鈣鈦礦相以及熱機械穩(wěn)定性的協(xié)同作用,共同實現(xiàn)了SOFC復合陰極優(yōu)異的電化學性能。相關研究成果以“Thermal-expansion offset for high-performance fuel cell cathodes”為題發(fā)表在Nature上。
圖一、c-SYNC的性質(zhì)和形成機制
(c)煅燒前c-SYNC和“原始” SNC/YWO的Sr 3d軌道的XPS圖譜;(e-g)YWO,SWO和SYNC相界面的HR TEM圖像;(h)f中SYNC相的[110]區(qū)域軸的SEAD模式;(k,l)STEM圖像和相應的SWO相FFT圖像。
(a)c-SYNC和SNC在100至800℃的空氣中的熱膨脹曲線;(b)SNC,SYNC,x wt%SWO-SNC和x wt%YWO-SNC組成的TECs,質(zhì)量百分比x在0到100之間變化;(d)在800、900和1000℃燒制的c-SYNC電極的極化電阻;(e)在500、600和650℃下c-SYNC電極的阻抗譜;(f)在600℃條件下,各種ORE材料的RP與TEC的匯總圖;(g)基于c-SYNC和SNC的對稱電池的ASR值與電極厚度的函數(shù)關系;(h)40μm厚c-SYNC和SNC對稱電池在600℃的空氣中測量200小時的Rp;(i)耐久性試驗前后c-SYNC和SNC電極的EIS圖。
(a)基于SNC和c-SYNC的對稱電池電極在600℃到300℃之間的40個熱循環(huán)中的ASR(RP)響應(在最低30℃ min-1的加熱速率和大約最低7.5℃ min-1的被動冷卻下90小時的總累計試驗);(b,c)循環(huán)后SNC(b)和c-SYNC(c)對稱電池的代表性EIS曲線;(e)有40μm厚c-SYNC陰極的陽極支撐的H2/空氣SOFC的I-V和I-P(I,電流密度;V,電壓;P,功率密度)曲線;(f)提出了在c-SYNC復合電極TEC補償熱機械增強的機理,并對粒子相互作用和力的分析進行了放大,對比了SNC與c-SYNC的行為。 文章轉(zhuǎn)載自微信公眾號:材料人