高温固态电池Ni/YSZ电极的界面调控及其电化学行为研究

摘要

高温固态电池由固体氧化物电解池(SOEC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)组成，其中SOEC在高温下可以实现CO2的电解，可利用过剩的余热和电能将CO2电解为CO，转化为易储存和运输的燃料。SOFC则可以将化学能转化为电能。作为新型能源技术，SOEC和SOFC在高温运行过程中能量转化效率高，有着良好的发展前景。Ni/YSZ由于良好的催化活性、电解质的热匹配性以及高的离子和电子电导率等优点已被广泛用作高温固态电池的电极。然而催化性能偏低、在含碳燃料中运行易积碳等问题则是制约其高效应用的主要因素。
　　CeO2能够储存和释放氧。过渡金属掺杂CeO2不但能使储放氧的能力得到提升，还能够使其具有良好的催化活性。因此，本论文选择通过对Ni/YSZ电极浸渍过渡金属掺杂CeO2调控的方法解决电极的催化性能低等问题，提升其电催化活性。将浸渍液通过燃烧法制备成粉体，并使用XRD等物理手段进行表征，证明粉体在高温氧化及还原气氛下，结构稳定，无金属析出，掺杂效果满足要求。将未经浸渍改性及经Fe、Co、Ni和Mn掺杂CeO2浸渍改性的Ni/YSZ电极制备为SOFC。在H2下进行放电性能测试后发现，浸渍改性处理后的SOFC放电功率密度有了极大的提升。其中，经浸渍Mn掺杂CeO2的SOFC电化学性能最为优异，在800℃下放电功率密度达到了780mW·cm-2，而未浸渍改性处理的SOFC相同条件下的放电功率密度只有510mW·cm-2，提升幅度达到52.9%。SOFC的开路极化阻抗也从1.28Ω·cm2降为0.25Ω·cm2，降幅明显。四种浸渍液对电极的电催化性能的排序为Ce-Mn>Ce-Co>Ce-Ni>Ce-Fe>未浸渍。
　　研究中发现，将不同过渡金属掺杂CeO2改性阴极制备为SOEC时，电解性能相比传统SOEC提升更为显著。其中，经Ce-Ni浸渍改性的SOEC在外加电压2.0V下的电解电流密度达到了2.60A·cm-2，而传统 SOEC相同条件下只有0.47A·cm-2，提高5.33倍。随着外加电压的增加，SOEC的极化阻抗也有很大程度的降低。此外，四种SOEC电解性能相比较，Ni、Mn掺杂CeO2的SOEC电解性能差别不大，但比Fe、Co相比表现好很多。使用SEM、EDS及EIS对SOEC长期稳定性及积碳机理研究发现，传统SOEC在长期运行过程中，性能衰减严重，衰减幅度达到42.2%，且电流有较大波动，稳定性很差，电极表面的C含量相比长期测试前增长明显。而经浸渍改性处理的SOEC长期运行过程中，性能几乎没有发生衰减，电极表面碳含量也只有少量的增加。
　　总之，经过对高温下Ni/YSZ电极进行过渡金属掺杂CeO2的调控改性处理，电极的催化性能有了极大提升。电解CO2时，SOEC的电解电流密度大，电解效率高，且稳定性表现良好，长期运行过程中没有发生明显的性能衰减，抗积碳效果显著。因此，本论文的研究为SOEC电解CO2的实际和高效应用提供了有力的证据支持。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题研究背景

1.2 高温固态电池(SOCs)简介

1.3 SOCs的关键材料

1.4 SOCs的研究现状

1.5 课题研究目的及内容

第2章 实验材料及方法

2.1 实验仪器及药品

2.2 SOCs的制备

2.3 材料的结构形貌表征

2.4 材料的电化学表征

第3章 过渡金属掺杂CeO2改性Ni/YSZ电极对H2的电化学氧化行为研究

3.1 前言

3.2 制备CexT1-xO2-δ粉体及其相结构表征

3.3不同过渡金属掺杂CeO2浸渍对Ni/YSZ电极的催化性能影响

3.4 本章小结

第4章 Ni/YSZ电极改性前后电解CO2的电化学行为及其微观机制研究

4.1 前言

4.2浸渍Ce-Ni改性后SOEC电解CO2电化学性能表征

4.3不同过渡金属掺杂CeO2改性SOEC电解CO2电化学性能对比

4.4浸渍改性处理前后电极积碳现象研究

4.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢