LaNi0.6Fe0.4O3 Kathodecontactmateriaal: Manipulatie van elektrische geleidende eigenschappen en het effect ervan op de elektrochemische prestaties van SOFC

ZHANG Kun, WANG Yu, ZHU Tenglong, SUN Kaihua, HAN Minfang, ZHONG Qin. LaNi0.6Fe0.4O3 Kathodecontactmateriaal: Manipulatie van elektrische geleidende eigenschappen en het effect ervan op de elektrochemische prestaties van SOFC [J]. Journal of Anorganische Materialen, DOI: 10.15541/jim20230353 .

Schematisch diagram van de kathode- en interconnectorcontactinterface

Tijdens het assemblageproces van de platte stapel met vaste oxidebrandstofcellen (SOFC) is het directe contact tussen de keramische kathode en de metalen connector slecht en is de spanning hoog. Het is gemakkelijk om een ​​grote interface-contactweerstand te produceren, wat op zijn beurt de prestaties en stabiliteit van de stapel beïnvloedt. Meestal wordt tussen de kathode en de connector een kathodecontactlaag toegevoegd om het interfacecontact te verbeteren. LaNi0.6Fe0.4O3 (LNF) heeft de voordelen van een hoge elektrische geleidbaarheid en een bijpassende thermische uitzettingscoëfficiënt met kathode- en connectormaterialen. Het is een veelgebruikt contactlaagmateriaal in vlakke SOFC. Tijdens de langdurige werking van de stapel heeft LNF echter verschijnselen zoals deeltjesvergroving en aanzienlijke veranderingen in de oppervlakteweerstand, wat leidt tot schade aan het contactoppervlak en dus de prestaties van de stapel beïnvloedt. De onderzoeksgroep van Zhu Tenglong aan de Nanjing Universiteit voor Wetenschap en Technologie gebruikte twee methoden, droogpersen, granulatie en sinteren bij hoge temperatuur, om LNF-materialen met grote deeltjes te bereiden, en bestudeerde de evolutie van de oppervlakteweerstand onder stroombelasting en de impact ervan op de elektrochemische prestaties van SOFC enkele cellen.

ASR-evolutie van LNF versus tijd onder 750 ℃ ​​en 1A/cm2, SEM-beelden van LNF voor en na ASR-test(a) Initieel; (b) Post-test

Onderzoek wijst uit. Vergeleken met onbehandeld LNF-1 hebben LNF-2 en LNF-3 die droogpersgranulatie en sinteren bij hoge temperatuur hebben ondergaan een lagere initiële oppervlakteweerstand. De deeltjesgrootte van LNF met een kleine deeltjesgrootte zal aanzienlijk toenemen onder de huidige belasting. Hoewel het door droogpersen gegranuleerde LNF-2 een grotere deeltjesgrootte heeft, behoudt het een betere sinteractiviteit, zodat het ook een duidelijker sinterverschijnsel vertoont onder stroombelasting, resulterend in een vermindering van de plaatweerstand. LNF-3 dat een voorbehandeling bij hoge temperatuur heeft ondergaan, heeft feitelijk zijn sinteractiviteit verloren en de deeltjesgrootte verandert weinig onder invloed van stroom, zodat de oppervlakteweerstand stabiel blijft. Bovendien is de ohmse impedantie van LNF-2 en LNF-3 afzonderlijke cellen met grotere deeltjesgroottes kleiner dan die van LNF-1, wat verband houdt met hun lagere contactcomponentoppervlakteweerstand en beter kathode-interfacecontact. Tegelijkertijd vertoonden zowel LNF-2 als LNF-3 enkele cellen een kleinere polarisatieweerstand, wat aangeeft dat het vergroten van de LNF-deeltjesgrootte de transmissie en diffusie van zuurstof in de lucht aan de kathodezijde kan verbeteren. In experimenten met meerdere thermische cycli vertoonde de enkele LNF-2-cel uitstekende initiële elektrochemische prestaties, maar behield hij nog steeds een goede sinteractiviteit dankzij zijn eigen activiteit. Tijdens langdurig gebruik bij hoge temperaturen en meerdere elektrochemische prestatietests is de kans groter dat de deeltjes grover worden, wat schade aan de poriën en loslaten van het grensvlak veroorzaakt, wat leidt tot een aanzienlijke verzwakking van de prestaties van een enkele cel. LNF-3-materialen die een voorbehandeling bij hoge temperatuur hebben ondergaan, hebben daarentegen een slechte sinteractiviteit en kunnen een goede structurele stabiliteit behouden tijdens thermische cycli bij hoge temperaturen.

EIS-spectra (a) en DRT-fittingplots (b) van afzonderlijke cellen onder partiële zuurstofdruk van 2,1 x 104 en 3 x 103 Pa, en hun overeenkomstige ohmse weerstand (c) en polarisatieweerstand (d)

Hoogtepunten van dit artikel:

1. Vergeleken met onbehandeld LNF-1-materiaal kunnen deeltjesgestuurde LNF-2 en LNF-3 de plaatweerstand verminderen. De oppervlakteweerstand van de contactcomponent kan snel een stabiele toestand bereiken onder huidige belasting, en de structuur kan stabiel worden gehouden onder langdurige huidige belastingsomstandigheden.

2. LNF-contactmateriaal met grote deeltjesgrootte kan het kathode-interfacecontact optimaliseren, zuurstofdiffusie en transport aan de kathodezijde bevorderen en de outputprestaties van een enkele cel verbeteren.

3. Het drooggeperste gegranuleerde LNF-materiaal behoudt nog steeds een bepaalde sinteractiviteit, wat resulteert in een slechte thermische cyclusstabiliteit. Sintervoorbehandeling op hoge temperatuur kan de structurele stabiliteit van LNF-kathodecontactmaterialen tijdens thermische cycli en ontladingsprocessen aanzienlijk verbeteren.

Schematische diagrammen en SEM-afbeeldingen voor kathodecontactinterfaces van afzonderlijke cellen na thermische cycli

Opmerking:

1. In dit artikel bestudeert de auteur de evolutie van de oppervlakteweerstand van het kathodecontactsamenstel als gevolg van de deeltjesgrootte van het LNF-materiaal en de impact ervan op de elektrochemische prestaties en stabiliteit van de enkele SOFC-cel. Er werd gevonden dat het vergroten van de deeltjesgrootte door sinteren bij hoge temperatuur de plaatweerstand van het kathodecontactsamenstel vermindert. De oppervlakteweerstand van de contactcomponent kan snel een stabiele toestand bereiken onder huidige belasting en de structuur kan stabiel worden gehouden onder langdurige huidige belastingsomstandigheden, wat een goede referentie biedt voor het verbeteren van de prestaties van SOFC.

2. Dit onderzoek is gericht op de werkelijke behoeften van contactmaterialen met lage weerstand en hoge geleidbaarheid voor vaste-oxidebrandstofcelstapels. Het mechanisme van de invloed van LaNi0.6Fe0.4O3-deeltjesgroottecontrole op de geleidbaarheid en de prestaties van een enkele cel van SOFC werd bestudeerd, en de invloed van bedrijfsomstandigheden zoals het zuurstofgehalte in de lucht en de thermische cyclus op de prestaties van een enkele cel tijdens LNF-granulatie werd met behulp van verschillende middelen geanalyseerd. in detail. Het concept van het artikel is relatief nieuw, de gedachtegang is helder, de genoemde gegevens kunnen de overeenkomstige kwesties goed ondersteunen en hebben een zekere praktische toepassingswaarde. Het artikel heeft een duidelijke structuur, redelijke logica en gestandaardiseerd schrijven.