Nature Communications：實現高功率密度的固體氧化物燃料電池陰極層納米工程

第一作者：Katherine Develos-Bagarinao

通訊作者：Katherine Develos-Bagarinao

通訊單位：日本國家先進工業科學技術研究所

DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-021-24255-w

背景

固體氧化物燃料電池是高效率的發電設備，因此被認為是緩解與化石燃料技術相關的能源和環境問題的有前途的替代方案。用于固體氧化物燃料電池的電極納米工程已經成為顯著提高電化學性能的通用工具，但是需要克服集成到適于廣泛應用的實際電池中的問題。

研究的問題

本文報告了一個高性能薄膜陰極的創新概念，包括納米多孔La_0.6Sr_0.4CoO_3?δ陰極以及使用脈沖激光沉積制備的高度有序的自組裝納米復合La_0.6Sr_0.4Co_0.2Fe_0.8O_3?δ(鑭鍶鈷鐵氧體)和Ce_0.9Gd_0.1O_2?δ(釓摻雜氧化鈰)陰極層。將納米工程陰極層集成到傳統的陽極支撐電池中，可以在0.7 V下實現高電流密度，在650℃和700℃下分別達到約2.2A/cm²和約4.7 A/cm²。這一結果表明，通過有效的納米工程方法調整材料性能可以顯著提高陰極的電化學性能，以開發下一代高功率輸出的固體氧化物燃料電池。

圖1 |?LSCF-GDC納米復合膜的微觀結構和相分布。

圖A：低放大率STEM-HAADF圖像顯示了在LSCF-GDC納米復合薄膜的厚度范圍內存在具有長程有序性的自組裝納米三層圖案。

圖B：STEM-HAADF和STEM-EDX各種元素的元素分布，包括LSCF(鑭、鍶、鈷、鐵)和釓(釓、鈰)相。

圖2|??LSCF-GDC納米復合膜的相識別。

圖A：低倍放大橫截面透射電鏡圖像描繪了包含納米顆粒的區域。

圖B：圖A中圓圈表示的區域的選定區域電子衍射(SAED)圖案。

圖C：LSCF-釓噴酸葡胺納米復合膜的STEM-HAADF點陣圖像，顯示了LSCF相和釓噴酸葡胺相之間的相干準外延界面，在圖像上分別表示為L和G。

圖3|?納米多孔LSC薄膜的微結構評價。

圖A：代表性的掃描電鏡圖像描繪了生長的納米多孔LSC薄膜表面的低放大率視圖。

圖B：表面的相應放大視圖。

圖C：納米多孔LSC薄膜的橫截面微觀結構的細節。典型的微結構由被納米通道或納米位置分開的垂直排列的聚集體組成。

圖D和E：在空氣中700℃退火1小時后納米多孔LSC薄膜表面的相應的掃描電鏡圖像。

圖F：掃描電鏡顯示了組裝的納米工程陰極層的橫截面，該陰極層包括在LSCF-GDC納米復合材料上的納米多孔LSC薄膜。

圖4|?面積比電阻的阿倫尼烏斯圖。

圖5|?納米工程電池結構和制造電池的顯微結構評估。

圖A：為陽極支撐電池開發的納米工程電池架構示意圖。

圖B：生長完成的電池的橫截面掃描電鏡圖像，顯示了AFL、YSZ電解質、GDC中間層、LSCF-GDC納米復合材料層和納米多孔LSC薄膜的細節。

圖C：高倍放大截面掃描電鏡圖像(放大區域用圖b上的正方形表示)顯示了GDC夾層、LSCF-GDC納米復合材料和納米多孔LSC薄膜的詳細微結構。

圖D：高倍放大截面掃描電鏡圖像顯示在陽極支撐的電池上制備的LSCF-GDC納米復合材料和部分GDC中間層的細節。黑色箭頭表示納米復合材料中LSCF相的暗對比條紋。

圖6|?陽極支撐電池的電化學性能比較。在700℃（圖a）、650℃（圖b）和600℃（圖c）下對不同陽極支撐電池配置的電流-電壓(伏安)和電流-功率(伏安)曲線進行評估。

圖7|?陽極支撐電池的電化學性能和微觀結構的比較。

圖A：在不同溫度下評估的陽極支撐電池的電流-電壓(伏安)和電流-功率(伏安)曲線，所述陽極支撐電池使用由納米多孔LSC和LSCF-GDC納米復合材料組成的納米工程陰極層，并使用不同的集電器進行測試。

圖C和D：在OCV和不同溫度下的相應阻抗譜。

圖E和F：使用LSC(e)和鉑(f)作為集電器測試后的電池的代表性的橫截面掃描電鏡圖像。

圖8|?陽極支撐電池的電化學性能。該電池采用納米工程陰極層，包括納米多孔LSC和LSCFGDC納米復合材料，使用加濕(3% H₂O) H₂作為燃料，干燥空氣作為氧化劑，在不同溫度下進行評估(700°C:藍色圓圈，650°C:紅色三角形，600°C:綠色正方形，550°C:紫色菱形)。

圖9|電池性能隨時間的評估。

圖A：在700℃下，施加電流密度為1 A/cm²時電壓的時間依賴性

圖B：耐久性試驗結束時，在700℃下評估電流-電壓(伏安)和電流-功率(伏安)曲線。插圖顯示了在0.75伏和700℃下獲得的最終阻抗譜。

結語

本研究的目標是開發出性能優于傳統陰極的先進陰極材料，用于開發下一代固體氧化物燃料電池。本文實現了一種創新的電池架構，其核心利用了納米工程陰極層，包括自組裝LSCF和GDC納米復合薄膜以及納米多孔LSC薄膜。致密納米復合材料中LSCF相和GDC相的納米級分布通過提供高界面密度和與下面的GDC夾層的良好粘合而作為高效過渡層發揮作用，而具有納米多孔開放結構的LSC薄膜確保了氧還原反應的高表面積。接下來，展示了納米工程陰極在商業上可行的鎳-釔穩定氧化鋯陽極支撐電池中的集成，其中系統地檢查了陰極結構中各層對電化學性能的作用。在優化的電池配置中，獲得了優異的電化學性能，在650℃和700℃下，0.7 V下的高電流密度分別達到約2.2A/cm²和約4.7 A/cm²。

本文由SSC供稿。