Nature Communications：实现高功率密度的固体氧化物燃料电池阴极层纳米工程

第一作者：Katherine Develos-Bagarinao

通讯作者：Katherine Develos-Bagarinao

通讯单位：日本国家先进工业科学技术研究所

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

背景

固体氧化物燃料电池是高效率的发电设备，因此被认为是缓解与化石燃料技术相关的能源和环境问题的有前途的替代方案。用于固体氧化物燃料电池的电极纳米工程已经成为显著提高电化学性能的通用工具，但是需要克服集成到适于广泛应用的实际电池中的问题。

研究的问题

本文报告了一个高性能薄膜阴极的创新概念，包括纳米多孔La_0.6Sr_0.4CoO_3−δ阴极以及使用脉冲激光沉积制备的高度有序的自组装纳米复合La_0.6Sr_0.4Co_0.2Fe_0.8O_3−δ(镧锶钴铁氧体)和Ce_0.9Gd_0.1O_2−δ(钆掺杂氧化铈)阴极层。将纳米工程阴极层集成到传统的阳极支撑电池中，可以在0.7 V下实现高电流密度，在650℃和700℃下分别达到约2.2A/cm²和约4.7 A/cm²。这一结果表明，通过有效的纳米工程方法调整材料性能可以显著提高阴极的电化学性能，以开发下一代高功率输出的固体氧化物燃料电池。

图1 | LSCF-GDC纳米复合膜的微观结构和相分布。

图A：低放大率STEM-HAADF图像显示了在LSCF-GDC纳米复合薄膜的厚度范围内存在具有长程有序性的自组装纳米三层图案。

图B：STEM-HAADF和STEM-EDX各种元素的元素分布，包括LSCF(镧、锶、钴、铁)和钆(钆、铈)相。

图2|  LSCF-GDC纳米复合膜的相识别。

图A：低倍放大横截面透射电镜图像描绘了包含纳米颗粒的区域。

图B：图A中圆圈表示的区域的选定区域电子衍射(SAED)图案。

图C：LSCF-钆喷酸葡胺纳米复合膜的STEM-HAADF点阵图像，显示了LSCF相和钆喷酸葡胺相之间的相干准外延界面，在图像上分别表示为L和G。

图3| 纳米多孔LSC薄膜的微结构评价。

图A：代表性的扫描电镜图像描绘了生长的纳米多孔LSC薄膜表面的低放大率视图。

图B：表面的相应放大视图。

图C：纳米多孔LSC薄膜的横截面微观结构的细节。典型的微结构由被纳米通道或纳米位置分开的垂直排列的聚集体组成。

图D和E：在空气中700℃退火1小时后纳米多孔LSC薄膜表面的相应的扫描电镜图像。

图F：扫描电镜显示了组装的纳米工程阴极层的横截面，该阴极层包括在LSCF-GDC纳米复合材料上的纳米多孔LSC薄膜。

图4| 面积比电阻的阿伦尼乌斯图。

图5| 纳米工程电池结构和制造电池的显微结构评估。

图A：为阳极支撑电池开发的纳米工程电池架构示意图。

图B：生长完成的电池的横截面扫描电镜图像，显示了AFL、YSZ电解质、GDC中间层、LSCF-GDC纳米复合材料层和纳米多孔LSC薄膜的细节。

图C：高倍放大截面扫描电镜图像(放大区域用图b上的正方形表示)显示了GDC夹层、LSCF-GDC纳米复合材料和纳米多孔LSC薄膜的详细微结构。

图D：高倍放大截面扫描电镜图像显示在阳极支撑的电池上制备的LSCF-GDC纳米复合材料和部分GDC中间层的细节。黑色箭头表示纳米复合材料中LSCF相的暗对比条纹。

图6| 阳极支撑电池的电化学性能比较。在700℃（图a）、650℃（图b）和600℃（图c）下对不同阳极支撑电池配置的电流-电压(伏安)和电流-功率(伏安)曲线进行评估。

图7| 阳极支撑电池的电化学性能和微观结构的比较。

图A：在不同温度下评估的阳极支撑电池的电流-电压(伏安)和电流-功率(伏安)曲线，所述阳极支撑电池使用由纳米多孔LSC和LSCF-GDC纳米复合材料组成的纳米工程阴极层，并使用不同的集电器进行测试。

图C和D：在OCV和不同温度下的相应阻抗谱。

图E和F：使用LSC(e)和铂(f)作为集电器测试后的电池的代表性的横截面扫描电镜图像。

图8| 阳极支撑电池的电化学性能。该电池采用纳米工程阴极层，包括纳米多孔LSC和LSCFGDC纳米复合材料，使用加湿(3% H₂O) H₂作为燃料，干燥空气作为氧化剂，在不同温度下进行评估(700°C:蓝色圆圈，650°C:红色三角形，600°C:绿色正方形，550°C:紫色菱形)。

图9|电池性能随时间的评估。

图A：在700℃下，施加电流密度为1 A/cm²时电压的时间依赖性

图B：耐久性试验结束时，在700℃下评估电流-电压(伏安)和电流-功率(伏安)曲线。插图显示了在0.75伏和700℃下获得的最终阻抗谱。

结语

本研究的目标是开发出性能优于传统阴极的先进阴极材料，用于开发下一代固体氧化物燃料电池。本文实现了一种创新的电池架构，其核心利用了纳米工程阴极层，包括自组装LSCF和GDC纳米复合薄膜以及纳米多孔LSC薄膜。致密纳米复合材料中LSCF相和GDC相的纳米级分布通过提供高界面密度和与下面的GDC夹层的良好粘合而作为高效过渡层发挥作用，而具有纳米多孔开放结构的LSC薄膜确保了氧还原反应的高表面积。接下来，展示了纳米工程阴极在商业上可行的镍-钇稳定氧化锆阳极支撑电池中的集成，其中系统地检查了阴极结构中各层对电化学性能的作用。在优化的电池配置中，获得了优异的电化学性能，在650℃和700℃下，0.7 V下的高电流密度分别达到约2.2A/cm²和约4.7 A/cm²。

本文由SSC供稿。