寧波材料所在傳統(tǒng)超薄不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)電池及其陰極阻擋層的致密化研究方面取得進(jìn)展
作為一類(lèi)清潔、高效、燃料多樣化的發(fā)電裝置,固體氧化物燃料電池(SOFC)的發(fā)電效率可達(dá)60%,是一種先進(jìn)電源。目前研究較多的SOFC結(jié)構(gòu)主要包括管式和平板式兩類(lèi)。其中平板式電池制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單,成本低,功率性能優(yōu)越,是實(shí)際應(yīng)用和科學(xué)研中采用較多的結(jié)構(gòu)。由于平板式SOFC厚度通常為幾個(gè)毫米,通常會(huì)在組成電池的幾個(gè)功能層中選取一層作為支撐體,根據(jù)支撐體類(lèi)型可將平板式SOFC分為:陽(yáng)極支撐電池(ASC),電解質(zhì)支撐電池(ESC)和陰極支撐電池(CSC)三類(lèi)。近年來(lái),中科院寧波材料所氫能與燃料電池技術(shù)團(tuán)隊(duì)著眼于傳統(tǒng)不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)陽(yáng)極支撐型平板式SOFC的性能提升,在材料及電池制備方面進(jìn)行了深入研究。
傳統(tǒng)ASC一般由主要成分為氧化亞鎳(NiO)的復(fù)合陽(yáng)極,氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)電解質(zhì)和陰極組成,其中NiO-YSZ/YSZ/LSM-YSZ 是一種有代表性的ASC結(jié)構(gòu)。由于該種結(jié)構(gòu)所采用的的電解質(zhì)和陰極在低于700℃的中低溫度區(qū)電性能較差,電池運(yùn)行溫度通常須高750℃,導(dǎo)致電池使用壽命短,長(zhǎng)期穩(wěn)定性差,密封困難,電堆制造成本高,極大地限制了SOFC的應(yīng)用范圍。為達(dá)到降低運(yùn)行溫度的目的,燃料電池技術(shù)團(tuán)隊(duì)采用了另一類(lèi)有代表性的ASC結(jié)構(gòu)展開(kāi)研究,結(jié)構(gòu)為:NiO-YSZ/YSZ/SNDC/LSCF-GDC。
該結(jié)構(gòu)采用了中溫區(qū)電性能較好的含
陰極,同時(shí)在含
陰極與YSZ之間插入致密的氧化鈰基電解質(zhì)阻隔層阻隔
和
向YSZ擴(kuò)散,以防止其與YSZ反應(yīng)生成La2Zr2O7、Sr2ZrO4等高阻抗物質(zhì),損害電池性能。由于常規(guī)無(wú)壓燒結(jié)方法制備致密氧化鈰基材料通常需要1500℃以上高溫,而氧化鈰基阻隔層制備溫度須低于1300℃以避免與YSZ發(fā)生反應(yīng),燃料電池技術(shù)團(tuán)隊(duì)研究人員采用了添加燒結(jié)助劑的方式探究了摻雜氧化鈰低溫致密化的可行性。通過(guò)摻雜了AG的氧化鈰經(jīng)過(guò)1300℃燒結(jié)可獲得高致密度,其致密度與1500℃燒結(jié)獲得的未添加燒結(jié)助劑的氧化鈰相同,且晶粒更小。此外,添加燒結(jié)助劑1300℃獲得的氧化鈰仍有較可觀的電導(dǎo)率。
由于NiO-YSZ/YSZ/SNDC/LSCF-GDC結(jié)構(gòu)中各層材料的熱膨脹系數(shù)不同,阻隔層需在電池需在已高溫?zé)Y(jié)的YSZ基底上制備。通過(guò)特種制備方法,如磁控濺射,能夠獲得致密度較高的阻隔層,但制備成本高、效率低,不宜規(guī)?;a(chǎn)。而采用常規(guī)的噴涂、絲網(wǎng)印刷后燒結(jié)等方法制備阻隔層時(shí),阻隔層與已燒結(jié)的YSZ基底間存在應(yīng)力,其致密過(guò)程受基底干擾,所制備阻隔層通常呈多孔結(jié)構(gòu),存在大量貫穿阻隔層的通孔,嚴(yán)重?fù)p害其阻隔效果。氫能與燃料電池技術(shù)團(tuán)隊(duì)研究人員通過(guò)使用燒結(jié)助劑和控制燒結(jié)制度的方式,采用絲網(wǎng)印刷后燒結(jié)的方法于1300℃實(shí)現(xiàn)了氧化鈰基阻隔層的高度致密。所制備阻隔層表面高度致密,僅存在少量孔隙和凹陷,斷面呈高度致密狀,存在少量閉孔,無(wú)貫穿阻隔層的通孔存在。阻隔層與電解質(zhì)界面結(jié)合牢固,界面已難以辨別,可以預(yù)期該阻隔層/電解質(zhì)界面有良好的結(jié)合強(qiáng)度和較小的界面電阻。此外,經(jīng)過(guò)1050℃的燒結(jié)
向阻隔層內(nèi)擴(kuò)散,但擴(kuò)散深度小于100nm,證明該高度致密的阻隔層在1050℃能夠有效阻擋
向電解質(zhì)層擴(kuò)散,復(fù)合陰極燒結(jié)溫度有較大的提升空間。該技術(shù)為傳統(tǒng)不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)電池的可靠性提升提供了很好的保障。

圖1 傳統(tǒng)非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)電池及傳統(tǒng)平板型ASC電池及其典型放電曲線

圖2 LSM電池微觀結(jié)構(gòu)及LSCF電池微觀結(jié)構(gòu)

圖3 工藝改進(jìn)前陰極阻隔層SEM圖片

圖4 1300℃下燒結(jié)助劑輔助燒結(jié)致密的SNDC

圖5 工藝改進(jìn)后的致密陰極阻隔層

圖6 1500℃常規(guī)燒結(jié)致密的SNDC樣品

圖7 陰極致密阻隔層的良好阻隔效果

圖8 電池片
(新能源所 王建新 常曉輝)