SOFC阴极材料La2NiMnO6掺杂体系的结构和电化学性能研究

摘要

固体氧化物燃料电池（SOFC）是一类高效率、环境友好的能量转换技术，近些年来，大量的科研工作者将研究的重心放在了降低SOFC的工作温度上来，目前，大部分人们认可的中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)的工作温度范围在500-800℃。较低的工作温度可以提高电极与电解质的化学稳定性，减小高温热应力，延长电池的寿命，利于固体氧化物燃料电池的规模化。阴极是SOFC的核心部件之一，有研究显示，在中温区温度范围内阴极的界面电阻约占整个电池总电阻的70％-85%，因此，选择具有高电化学性能和良好的化学与热力学稳定性的阴极材料成为如今的热点。离子-电子混合钙钛矿型材料是中温范围内的最理想的阴极材料，值得注意的是，在这些材料中，钴基材料占大部分，钴基材料虽然具有良好的电化学性能，但是它们的热膨胀系数都很高，与常用的中温电解质的热膨胀系数在工作温度内很难匹配，因此，需要我们寻找更为合适的IT-SOFC阴极材料。
　　La2NiMnO6和 La2CoMnO6属于同构的双钙钛矿结构材料，大量的研究集中在它们的磁性和介电性能等上面，对他们的电化学性能研究很少。有研究表明，对La2CoMnO6在A位Sr掺杂后，得到了很不错的电化学性能和较为合适的热膨胀系数，因此，在本论文中，我们系统地研究了A位Sr掺杂对La2NiMnO6材料的结构和电化学性能的影响，以期得到合适的IT-SOFC阴极材料。
　　本文中采用EDTA-柠檬酸溶胶凝胶法、冰乙酸-甲醇化学溶液法和甘氨酸-硝酸盐法分别合成La2NiMnO6-δ材料，并对它们应用了X射线衍射谱分析、热重差热扫描分析和形貌分析，结果表明，甘氨酸-硝酸盐法合成的样品完全结晶温度最低、晶粒间形成良好孔隙无明显过烧结熔融现象，而且操作简单省时，最适宜作为本论文样品的合成方法。采用甘氨酸-硝酸盐法合成了La2-xSrxNiMnO6-δ(LSxNM, x=0.0,0.1,0.2,0.3)系列样品，元素含量分析结果表明所合成样品符合最初设计化学计量比，Rietveld结构精修结果表明， LS0.0NM具有Pbnm和R3c两相，且两相含量大体相等，而 Sr掺杂后， Pbnm相便全部转变为R3c相，这一相转变为 LS0.1NM带来了大量的氧空位，随着 Sr的继续掺杂，B位元素价态补偿便占据主导，氧空位浓度逐渐下降，然而，结合致密 LSxNM样品的电导率数据分析，LS0.2NM的电子电导率和氧空位浓度综合起来的性能在体系中是最佳的，对称电池的交流阻抗测试结果显示，LSxNM的界面比电阻（ASR）在750℃工作温度下随着x值的增加分别为0.28Ωcm2、0.27Ωcm2、0.18Ωcm2、0.19Ωcm2，在800℃工作温度下随着x值的增加分别为0.17Ωcm2、0.18Ωcm2、0.11Ωcm2、0.12Ωcm2，LS0.2NM的ASR基本上是LS0.0NM未掺杂样品的65%，这些都证实了Sr的A位掺杂提升了材料的电化学性能且 LS0.2NM样品的电化学性能最好。热膨胀分析结果显示， LSxNM系列的平均热膨胀系数（TEC）随着x值的增加分别为11.16×10-6 K-1、11.29×10-6 K-1、11.33×10-6 K-1、11.83×10-6 K-1，这些数据与常用的中温电解质La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3-δ(LSGM)的TEC非常匹配。鉴于LS0.2NM的优异的电化学性能，将其组装成电解质支撑型单电池LS0.2NM|LSGM|65NiO-35SDC，其在850℃和800℃下的最大功率密度分别达到大约383 mW cm-2和大约334 mW cm-2，综合这些结果， LSxNM可以视为一种很有未来应用潜力的IT-SOFC阴极材料。

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第1章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 固体氧化物燃料电池（SOFC）

1.3 SOFC钙钛矿类的阴极材料

1.4 本论文的研究目的和内容

第2章 实验部分

2.1 实验试剂和实验仪器

2.2 实验方法

2.3 测试及表征手段

2.4 本章小结

第3章 La2NiMnO6-δ的合成和制备研究

3.1 引言

3.2 样品的合成

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第4章 La2NiMnO6掺杂体系的结构和物性研究

4.1 引言

4.2 样品的制备

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第5章 La2NiMnO6掺杂体系的电化学性能研究

5.1 引言

5.2 样品制备

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢