Al_2O_3电解质新型结构SOFC制备及性能研究

本文主要研究了以Al_2O_3为电解质的新型结构低温固体氧化物燃料电池。分别以三种不同结构的氧化铝(α-Al_2O_3、β-Al_2O_3和含有一定γ相的α-Al_2O_3)为电解质制备了结构为:泡沫镍-Ni_(0.8)Co_(0.15)Al_(0.05)LiO_2(NCAL)/Al_2O_3/NCAL-泡沫镍的SOFC,并在H_2燃料中测试了电化学性能。研究发现三种电池开路电压和最大输出功率密度都有明显差异。α-Al_2O_3、β-Al_2O_3和含有一定γ相的α-Al_2O_3电解质电池在550℃下H_2/air气氛中的开路电压分别为:1.057V、0.415V和0.945V;三种电池的最大功率密度分别为173.44mW·m~(-2)、3.76mW·m~(-2)和99.11mW·m~(-2)。交流阻抗谱结果显示α-Al_2O_3的离子电导率最高,为0.17S·cm~(-1)。通过Ce_(0.9)Gd_(0.1)O_2(GDC)/Al_2O_3双层电解质电池的离子过滤实验发现Al_2O_3电解质中的载流子包含氧离子。对不同结构Al_2O_3粉体材料及其在电池中电化学性能测试前后表面氧元素的结合能的XPS表征结果研究发现:不同结构的Al_2O_3的离子电导率大小跟其表面氧空位浓度有关,氧空位浓度越大,离子电导率越高。Al_2O_3的表面氧空位浓度在氢气通入后也会显著增加。界面氧离子传导应该是这种以氧化铝为电解质的新型结构SOFC的氧离子传导机理。     

La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3-δ电解质材料的合成及性能研究

对合成La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3-δ(LSGM)电解质的制备过程做了TG-DTA分析,然后采用固相法合成LSGM电解质材料。利用XRD、粒度分析、交流阻抗谱等检测技术,对LSGM电解质结构及性能进行表征。XRD分析表明,在1 000℃烧结后,粉体开始形成钙钛矿结构,随着温度的升高,粉体中杂相含量越来越少,经1 000℃和1 450℃两次烧结后,形成了单一的钙钛矿结构相;粒度分析表明,合成电解质粉体的粒径较为合理;交流阻抗谱检测表明,烧结样品具有稳定的离子电导性能,在800℃时,电导率约为1.2S/m。     

锂离子电池长循环寿命Sn+Co负极材料的研究

为了提高纯锡(Sn)作为锂离子电池(LIB)负极材料时的循环性能,循环稳定性更好的锡基合金被广泛研究。本试验中,在铜箔上通过脉冲沉积制备了一种锡基负极(Sn+Co),其中Co主要作用是在Sn表面形成致密保护层。该致密的电惰性层不仅可以缓冲Sn的体积变化,还避免了充放电过程中Sn与电解质的反应,提高了固体电解质界面(SEI)的稳定性。材料的结构表征主要通过XRD、SEM和EDX来研究。试验结果表明,Sn+Co负极比Sn-Co合金负极具有更大比容量和更优异的循环性能。Sn+Co电极在0.1C电流密度下的首次放充电比容量分别为541.66 mAh/g和483.97 mAh/g。且Sn+Co电极在0.1C的电流密度下循环120次后容量保持率高达81.43%,远高于Sn-Co合金电极60.48%的保持率。     

新能源汽车反钙钛矿型锂离子固态电解质掺杂改性研究

传统锂离子电池液态电解液具有可燃性，存在安全隐患。随着对二次电池安全性能要求的提升，固态电池近年来成为新型二次电池发展的热点。在所有类型的固体电解质中，反钙钛矿型电解质具有前驱体成本低廉，易于合成以及加工性能好的优点，因此引起了广泛的注意。然而，反钙钛矿型电解质的离子电导率较低，室温下仅为10^-6～10^-5S/cm，从而限制了其在新能源汽车上的应用。实验采用溴镁共掺杂的方法来提高反钙钛矿型电解质的离子电导率。通过溴掺杂氯位以及镁掺杂锂位能够引入更多的锂空位，从而降低了锂离子迁移的活化能，使反钙钛矿型电解质的离子电导率提升4.5倍。最后，以钴酸锂为正极活性材料组装金属锂固态电池，反钙钛矿基固态电池在2C倍率下循环100圈后容量保持率可达90.1%。     

Ce_(0.8)Sm_(0.2)O_(1.9)@TiO_2异质结构电解质研究

半导体与离子导体形成的异质结构可以极大地增强材料的离子电导率,其两相界面能为离子传输提供较好的通道。以TiO_2与Ce0.8Sm0.2O1.9 (samarium doped ceria, SDC)为研究对象,分别通过湿化学法和干混法构造了两种不同的异质结构复合材料。研究表明,利用湿化学法制备的SDC@TiO_2异质结构复合材料(简称SDC@TiO_2)作电解质的燃料电池在550℃下最大输出功率密度为761 mW·cm-2,比用干混法制备的SDC-TiO_2异质结构复合材料(简称SDC-TiO_2)作电解质的燃料电池的最大输出功率密度高21%。与SDC-TiO_2相比,SDC@TiO_2具有更丰富的两相界面。电化学阻抗谱显示,以SDC@TiO_2材料作为电解质的电池具有更低的欧姆电阻和极化电阻。     

氧化铋基固体氧化物燃料电池电解质研究进展

固体氧化物燃料电池(SOFC)被誉为21世纪最具有发展潜力的能源技术之一。由于氧化铋基电解质在低较温度下具有较高的氧离子电导率,是用作中低温固体氧化物燃料电池较理想的电解质材料。文章综述了Bi2O3基固体电解质材料的一般性质和掺杂剂及其浓度对材料性能的影响,并对此材料在低氧分压下易还原的性质及抗老化相变的研究情况进行了总结。最后,提出了Bi2O3基电解质的研究方向。     

基于混合导电功能层的燃料电池研究

采用二次固相法合成具有层状结构的电子导电材料—LiNi_(0.8)Co_(0.15)Al_(0.05)O_(2-δ)(LNCA),并将其与离子导电材料Sm掺杂CeO_2复合,获得具有电子-离子混合导电性的复合材料.并以此为功能层,构造了无电解质隔膜层燃料电池(Electrolyte Free Manbrane Fuel Cell,EFFC).研究了功能层的厚度以及电子-离子导电材料的比例对电池性能的影响,并阐述了影响机制.该电池在550℃下获得了937 mW·cm~(-2)的功率输出,且具备在更低温度下操作的可行性.     

固体氧化物燃料电池La0.7Sr0.3Cr0.5Mn0.5O3-δ-SDC复合阳极性能研究

利用溶胶-凝胶法制备了La0.7Sr0.3Cr0.5Mn0.5O3-δ(LSCM)阳极粉体。X射线衍射(XRD)分析结果显示,在1000℃下焙烧4 h处理后,粉体为单一的钙钛矿相结构。应用单向压力成型方法、空气中1450℃下烧结8 h制备了Ce0.8Sm0.2O1.9(SDC)为电解质片,应用丝网印刷方法在SDC电解质两侧分别涂覆La0.7Sr0.3Cr0.5Mn0.5O3-δ阳极和Pr0.6Sr0.4Co0.8Fe0.2O3-δ-SDC(PSCF-SDC)复合阴极,组成电解质支撑型固体氧化物燃料单电池。扫描电镜(SEM)观察显示,制备的电解质致密,阳极和阴极孔隙大小分布均匀,阳极厚度约为20μm,阴极厚度为10μm。用湿氢气作燃料,在800℃下获得的最大输出功率为232.84 mW/cm2,短路电流为919.84 mA/cm2。为了提高LSCM阳极材料催化活性,阳极中掺入少量SDC构成复合阳极。La0.7Sr0.3Cr0.5Mn0.5O3-δ-10%SDC复合阳极的单电池输出功率明显提高,最大输出功率为340 mW/cm2。     

水系锌离子电池的稳定性优化策略

随着全球的环境恶化日益加剧，如何提高可再生能源的利用效率逐渐受到人们的关注。其中，水系锌离子电池相比锂离子电池及其他离子电池，在安全性和低成本等方面表现较为出色而成为当前研究热点。然而，水系锌离子电池面临着阴极材料的性能衰减、锌阳极的枝晶、副反应以及电解液消耗等问题，导致循环稳定性低，使其应用受到极大的限制。目前，针对水系锌离子电池循环稳定性低的优化策略方面还没有得到系统的总结和归纳。本文针对循环稳定性的优化这一问题，从阴极的空位、掺杂、包覆、复合和阳极的3D结构、表面改性、无锌金属设计还有电解液的离子诱导、去溶剂化结合水、原位固体电解质界面（SEI）以及隔膜和集流体的材料设计等角度，分别对水系锌离子电池阴极材料、锌阳极和电解液等方面进行了系统性的总结。并且，本文还提出了相关优化策略仍需探究的机制、适用材料体系等问题，最后对未来的研究方向做出展望。     

铝空气电池用电解质的研究进展

铝空气电池是一种拥有高能量密度(400 Wh/kg)的一次电池,从上世纪60年代发展至今,已有近60年的历史。本文主要论述在铝空气电池发展历程中,电解质的研究进展,着重论述电解质对电池性能的影响。由于铝空气电池在碱性水溶液中存在两个主要问题,即铝的自腐蚀和铝表面形成钝化膜。为了能够解决上述技术难题,在水性碱溶液中加入添加剂、使用胶体电解质和可替代水溶液的新型电解质,如乙醇、离子液体等。     

稀土氧化物LnO1.5掺杂CeO2-δ固体电解质的缺陷与电导率

利用缺陷化学的知识,对定量求解稀土氧化物LnO1.5掺杂CeO2-δ固体电解质中氧离子空位的浓度进行了初步探讨.在此基础上,推导出了该固体电解质的离子电导率和电子电导率的表达式.并且得出了计算CeO2基固体电解质临界氧分压P*O2的公式,利用该公式对两个问题进行了简单分析.     

稀土氧化物的导电性质

稀土氧化物是一组具有混合导电性质的半导体,即电子导电与离子导电。不同的材料其二种导电的比例是不同的。电子导电指半导体的电子或空穴导电。离子导电指氧离子在氧空位中移动,随温度升高而加剧,随氧分压升高而抑制,利用这种性质,可分别用做热敏电阻和固体电解质。     

IT-SOFC电解质Ce0.8Sm0.2O1.9的制备与性能

采用柠檬酸硝酸盐法合成出钐掺杂的氧化铈电解质Ce0 8Sm0 2O19(SDC)粉体,XRD结果显示该粉体为单相萤石结构.将粉体干压成型,在1400℃下烧结10 h可得到高致密度电解质.通过烧结实验,分析样品的烧结温度和密度,并测量其热膨胀曲线.以Ce08Sm02O19作为电解质组成单电池,在850℃其最大输出功率密度为106 mW/cm2.     

Li_2CO_3对锂氧化物电极SOFC电化学性能影响研究

本文利用机械混合的方式将SrTiO_3与Li_2CO_3按照不同质量比混合制成了比例分别为95/5,90/10,70/30及100/0的STO-x%Li_2CO_3(x=0,5,10和30)复合电解质,并制备了结构为泡沫镍-Ni_(0.8)Co_(0.15)Al_(0.05)LiO_2(NCAL)/STO-x%Li_2CO_3/NCAL-泡沫镍的单电池。在550℃、H_2/Air气氛中的燃料电池性能测试结果显示在SrTiO_3电解质中以机械混合的方式加入Li_2CO_3后电池的最大功率密度随着碳酸锂的添加量增加而降低,而且在电解质中没有混合Li_2CO_3的SrTiO_3电解质电池取得了最高的最大输功率密度,说明以机械混合的方式在SrTiO_3电解质中加入Li_2CO_3对这种新型结构SOFC的电化学性能没有提升作用。Ni-NCAL阳极在电化学性能测试过程中被还原生成的Li_2CO_3扩散到SrTiO_3电解质中形成的非晶层包覆在电解质颗粒表面对电解质离子电导率提升起到了关键作用。     

不同方法制备PrNi0.5Co0.5O3-δ阴极的性能对比研究

采用固相反应法和乙二胺四乙酸-柠檬酸（EDTA-CA）联合络合法分别合成了PrNi0.5Co0.5O3-δ (PNC)材料，用于质子导体固体氧化物燃料电池（H-SOFCs）的阴极。通过X射线衍射（XRD）研究了材料在不同煅烧条件后的相结构，通过比表面积及孔径分析仪（BET）研究材料的比表面积和孔结构，用扫描电子显微镜（SEM）观察了材料的微观结构，通过能量色散X射线谱仪（EDS）分析材料的元素分布，通过电化学阻抗谱（EIS）分析了材料作为H-SOFCs阴极使用时的极化电阻。结果表明，通过EDTA-CA联合络合法制备的粉体相结构更加稳定，且元素分布也更加均匀。EIS分析结果表明，通过两种方法制备的阴极材料在BaZr0.1Ce0.7Y0.1Yb0.1O3-δ(BZCYYb)电解质上的氧还原过程活化能相近，但通过EDTA-CA联合络合法制备的阴极具有更低的极化电阻，500℃时对称电池上的极化电阻降低68%。     

阴离子F掺杂SOFCs阴极La1?xSrxCo1?yFeyO3?δ的氧还原性能

固体氧化物燃料电池(SOFC)因其高效、清洁及便携性等优点被认为是当前最具应用前景的新能源技术之一。传统SOFC较高的工作温度（>800 ℃）限制了其商业推广,降低其工作温度成为当前研究的热点。钙钛矿阴极材料La_1?xSr_xCo_1?yFe_yO_3?δ(LSCF)因具有较高的电子离子混合导电性而成为中温SOFC阴极材料的较佳选择,同时实验证明F替代O位能有效提升SOFC稳定性。基于已有实验报道,本文采用第一性原理计算了F掺杂对LSCF电子结构影响、氧气分子在(100)表面吸附能的变化、阴极体内氧空位形成能及氧离子迁移活化能的影响。通过与未掺杂材料性能的比较,证明:适量F掺杂LSCF在有效提升阴极表面对氧气分子吸附能力同时能进一步提高体内氧离子迁移效率,从而提升阴极氧化还原反应能力。      

锂离子电池正极材料表面包覆的研究进展

锂离子电池正极材料是锂离子电池发展的关键。对锂离子电池正极材料进行包覆是改善其性能的有效方法。锂钴氧和锂锰氧正极材料表面包覆后的循环性能,特别是高温下的循环性能可以得到有效的改善。对于LiFePO4来讲,表面包覆主要是解决这类正极材料导电性问题。文章综述了国内外锂离子电池材料表面包覆的研究现状,提出了作者对将来研究方向的一些看法和建议。     

铝离子电池电解质研究进展

铝离子电池因其原材料成本低,金属铝负极理论容量高,以及整个电池体系的高安全性而被认为是“后锂时代”储能系统的有力候选者。目前,铝离子电池的研究更多集中在正极材料方面,然而电解质作为电池的重要组成部分,无论在液态还是固态铝离子电池中,对电池的电化学性能及安全性都具有关键性作用。近年来,有关铝离子电池电解质的研究报道迅速增加。基于此,文中综述了铝离子电池电解质的研究进展,主要包括水系电解质和非水系离子液体、无机熔盐、凝胶聚合物电解质,并探讨了不同电解质体系在电化学窗口、稳定性、工作温度条件、离子电导率和成本等方面的优势与局限性,对未来的发展方向作出了展望。     

阳极微结构对等离子喷涂金属支撑SOFC的电池性能的影响研究

阳极微结构尤其是表面结构的调控对固体氧化物燃料电池(SOFC)的极化与性能具有显著的影响。大气等离子喷涂(APS)和高温烧结是金属支撑SOFC阳极功能层最常用的两种制备方法。本文采用APS和高温烧结两种制备方法,在相同的金属支撑体上沉积阳极功能层以获得具有不同阳极/电解质界面结构的SOFC。对两种阳极功能层的组织结构、表面粗糙度、比表面积和物相构成进行了研究。结果表明,两种方法制备的阳极组织形貌差别较大,高温烧结的阳极功能层表面具有良好的平整度,而APS制备的阳极功能层呈现出典型的层状结构,表面粗糙度和比表面积较大。从断面形貌中可以看出,高温烧结阳极电池的电解质功能层厚度均一,两种电池阳极与电解质功能层之间均结合紧密。两种电池的输出性能结果表明,APS阳极电池具有较高的输出性能和较低的电极极化阻抗。     

Sm2O3对Ba0.5Sr0.5Co0.75Fe0.25O3-δ体系电子结构及氧空位影响的理论研究

采用第一性原理对掺杂Sm2O3的Ba0.5Sr0.5Co0.75Fe0.25O3-δ体系的电子结构和空位形成能进行了研究。研究结果表明,Co和Sm的态密度在费米能级附近有较大的态,而Fe则很小,这使得Co和Sm离子易于变价,而Fe离子的化合价则基本保持不变。空位形成能随空位数的增多而增大,Sm的掺杂有利于氧空位的形成,且CoVFe比CoVCo型氧空位形成能稍大,这些源于体系的电子结构和局域几何结构。