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宁波材料所在传统超薄不对称结构电池及其阴极阻挡层的致密化研究方面取得进展
发布时间:2018-05-25 点击浏览:

  作为一类清洁、高效、燃料多样化的发电装置,固体氧化物燃料电池(SOFC)的发电效率可达60%,是一种先进电源。目前研究较多的SOFC结构主要包括管式和平板式两类。其中平板式电池制备工艺相对简单,成本低,功率性能优越,是实际应用和科学研中采用较多的结构。由于平板式SOFC厚度通常为几个毫米,通常会在组成电池的几个功能层中选取一层作为支撑体,根据支撑体类型可将平板式SOFC分为:阳极支撑电池(ASC),电解质支撑电池(ESC)和阴极支撑电池(CSC)三类。近年来,中科院宁波材料所氢能与燃料电池技术团队着眼于传统不对称结构阳极支撑型平板式SOFC的性能提升,在材料及电池制备方面进行了深入研究。

    传统ASC一般由主要成分为氧化亚镍(NiO)的复合阳极,氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)电解质和阴极组成,其中NiO-YSZ/YSZ/LSM-YSZ 是一种有代表性的ASC结构。由于该种结构所采用的的电解质和阴极在低于700℃的中低温度区电性能较差,电池运行温度通常须高750℃,导致电池使用寿命短,长期稳定性差,密封困难,电堆制造成本高,极大地限制了SOFC的应用范围。为达到降低运行温度的目的,燃料电池技术团队采用了另一类有代表性的ASC结构展开研究,结构为:NiO-YSZ/YSZ/SNDC/LSCF-GDC。

    该结构采用了中温区电性能较好的含阴极,同时在含阴极与YSZ之间插入致密的氧化铈基电解质阻隔层阻隔向YSZ扩散,以防止其与YSZ反应生成La2Zr2O7、Sr2ZrO4等高阻抗物质,损害电池性能。由于常规无压烧结方法制备致密氧化铈基材料通常需要1500℃以上高温,而氧化铈基阻隔层制备温度须低于1300℃以避免与YSZ发生反应,燃料电池技术团队研究人员采用了添加烧结助剂的方式探究了掺杂氧化铈低温致密化的可行性。通过掺杂了AG的氧化铈经过1300℃烧结可获得高致密度,其致密度与1500℃烧结获得的未添加烧结助剂的氧化铈相同,且晶粒更小。此外,添加烧结助剂1300℃获得的氧化铈仍有较可观的电导率。

    由于NiO-YSZ/YSZ/SNDC/LSCF-GDC结构中各层材料的热膨胀系数不同,阻隔层需在电池需在已高温烧结的YSZ基底上制备。通过特种制备方法,如磁控溅射,能够获得致密度较高的阻隔层,但制备成本高、效率低,不宜规模化生产。而采用常规的喷涂、丝网印刷后烧结等方法制备阻隔层时,阻隔层与已烧结的YSZ基底间存在应力,其致密过程受基底干扰,所制备阻隔层通常呈多孔结构,存在大量贯穿阻隔层的通孔,严重损害其阻隔效果。氢能与燃料电池技术团队研究人员通过使用烧结助剂和控制烧结制度的方式,采用丝网印刷后烧结的方法于1300℃实现了氧化铈基阻隔层的高度致密。所制备阻隔层表面高度致密,仅存在少量孔隙和凹陷,断面呈高度致密状,存在少量闭孔,无贯穿阻隔层的通孔存在。阻隔层与电解质界面结合牢固,界面已难以辨别,可以预期该阻隔层/电解质界面有良好的结合强度和较小的界面电阻。此外,经过1050℃的烧结向阻隔层内扩散,但扩散深度小于100nm,证明该高度致密的阻隔层在1050℃能够有效阻挡向电解质层扩散,复合阴极烧结温度有较大的提升空间。该技术为传统不对称结构电池的可靠性提升提供了很好的保障。

   

  图1 传统非对称结构电池及传统平板型ASC电池及其典型放电曲线

   

  图2 LSM电池微观结构及LSCF电池微观结构

   

  图3 工艺改进前阴极阻隔层SEM图片

   

  图4 1300℃下烧结助剂辅助烧结致密的SNDC

   

  图5 工艺改进后的致密阴极阻隔层

   

  图6 1500℃常规烧结致密的SNDC样品

   

  图7 阴极致密阻隔层的良好阻隔效果

   

  图8 电池片

  (新能源所 王建新 常晓辉)