Nano Research：Ba掺杂LSCF阴极材料提高中温固体氧化物燃料电池性能
1. 研究背景
固体氧化物燃料电池(SOFCs)的发展趋势取决于其工作温度、燃料多样性和电池结构的灵活性等因素。SOFC技术的充分利用面临的一个重大挑战是需要将其操作温度从目前的高温度降至中温范围（600 - 800℃）。然而随着工作温度的降低，电解质的欧姆电阻和电极(尤其是阴极)的极化电阻在中温度范围内都会增加，严重限制了SOFC的性能。因此，La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3−δ等离子-电子混合导体在中温固体氧化物燃料电池中具有非常高的应用前景。
2. 成果简介
La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3−δ (LSCF)被认为是中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)技术最有前景的阴极材料之一。然而由于操作温度的降低，它仍然受到极化损耗的挑战。近日，内蒙古科技大学安胜利教授（第一通讯作者）和澳大利亚西澳大学杨虹教授（共同通讯作者）等人成功合成了一系列Ba掺杂的La0.6-xBaxSr0.4Co0.2Fe0.8O3−δ (LBSCFx, x = 0.05, 0.10, 0.15, 0.20)阴极材料，并对其作为IT-SOFC技术阴极的电化学性能进行了评价。研究表明，与未掺杂的LSCF相比，掺杂Ba的LBSCF由立方相逐渐转变为菱形相。在500 ~ 800℃时均对电导率和氧的吸附/离解能力有所改善。同时，Ni-SDC|SDC|LBSCF0.20电池在750℃下提供了高的最大功率密度为0.704 W/cm2，比Ni-SDC|SDC|LSCF单电池高30%。这项工作表明，Ba掺杂可以有效地提高LSCF基阴极材料的氧催化活性，为IT-SOFC技术开发高性能阴极材料提供了一种新的和商业上可行的策略。研究成果以题为“Enhanced electrochemical performance of La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3−δ cathode via Ba-doping for intermediate-temperature solid oxide fuel cells”发布在国际著名期刊Nano Research上。博士研究生蔡长焜为第一作者。
3. 图文导读
图1 LBSCF粉末样品XRD分析：(a) LSCF和LBSCFx的XRD谱图(x = 0.05, 0.10, 0.15, 0.20)及(b) LSCF，(c) LBSCF0.10， (d) LBSCF0.20的Rietveld细化结果。
图2 LSCF和LBSCF0.20粉末样品的TEM分析：(a) LSCF的HRTEM图像，(b) LSCF在[100]区域轴上对应的FFT模式，(c)LSCF所选区域的IFTT图，(d) LBSCF0.20的HRTEM图，(e) LBSCF0.20选择区域的IFTT图，(f)LBSCF0.20在[4 ̅01]区域轴上对应的FFT图。(g) LBSCF0.20粉体的EDS元素分布。
图3 LSCF、LBSCF0.10和LBSCF0.20阴极粉末的XPS谱：(a) O1s谱、(b) Co2p谱和(c) Fe2p谱及其反褶峰。
图4 在600-800 ℃的阴极|SDC|阴极对称电池中，由(a) LSCF， (b) LBSCF0.10，和(C) LBSCF0.20阴极获得的电化学阻抗谱。(d)阴极材料的阿伦尼乌斯图。
图5 (a) LSCF， (b) LBSCF0.10和(C) LBSCF0.20三种阴极制备单电池的V-I和P-I曲线。
4. 总结与展望
综上所述，作者的研究在纯立方相LSCF中掺杂Ba2+，除了促进立方相的形成外，还促进了菱形相的形成。晶体结构自身的优化使得LBSCF阴极材料在600 ~ 800℃时的电荷转移电阻和氧吸附/解离电阻均显著降低。同时在实际工况下全电池放电性能相比LSCF阴极提高了30%。这为IT-SOFC技术开发高性能阴极材料提供了一种新的和商业上可行的策略。
5. 文献信息
Enhanced electrochemical performance of La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3−δ cathode via Ba-doping for intermediate-temperature solid oxide fuel cells （Nano Research, 2022, DOI: 10.1007/s12274-021-3972-0）
https://doi.org/10.1007/s12274-021-3972-0
6. 作者简介
蔡长焜（1990.7.4），男，汉族，内蒙古包头市人，内蒙古科技大学材料与冶金学院冶金博士，师从安胜利教授，主要研究固体氧化物燃料电池方向。
