共沉淀法合成La0.7Sr0.3-xCaxCo0.9Fe0.1O3-δ及其性能表征

以金属硝酸盐、氨水为沉淀剂,采用化学共沉淀法合成了La0.7Sr0.3-xCaxCo0.9Fe0.1O3-δ(简称LSCCF,x=0.05,0.10,0.15,0.20)粉料.借助差示扫描量热法-热重分析法(DSC-TG)、X射线衍射法(XRD)和扫描电子显微镜法(SEM)对600℃,800℃,1 000℃热处理4 h后LSCCF粉料的形成过程、晶体结构和粒度形貌进行了研究.实验结果表明,LSCCF粉料的形成过程分为4个阶段--脱水阶段、分解阶段、LaCoO3基氧化物形成阶段和LSCCF固溶体形成阶段;适宜热处理制度为800℃下保温4 h,且制备出的LSCCF粉料为均一的钙钛矿结构.使用直流四极探针法测定了LSCCF样品在空气气氛下的电导率,发现该体系材料在600～800℃范围的电导率都超过了250 S·cm-1,其导电机制符合p型小极化子绝热孔隙理论,且能够满足中温固体氧化物燃料电池(ITSOFC)阴极材料的要求.     

复掺杂钴铁酸盐的制备及性能

用金属硝酸盐,通过柠檬酸法合成了中温固体氧化物燃料电池阴极材料La0.7Sr0.3-xCaxCo0.9Fe0.1O3-δ(LSCCF)粉末.用热重-差热研究了LSCCF的形成过程.XRD测试表明:前驱体800℃处理3 h,已形成六方钙钛矿结构.样品的电导率随着烧结温度的升高和Ca2 含量的减少而变大,在500～800℃范围内,大于500S/cm,高于固相合成法的电导率最大值100S/cm.XRD和SEM测试表明:样品与电解质Ce0.8Sm0.2O2的化学相容性好.     

阴极材料La0.7Sr0.3-xCaxCo0.8Fe0.2O3-δ的晶体结构和性能

使用硝酸盐,氢氧化钠和碳酸钠为沉淀剂,共沉淀法合成了中温固体氧化物燃料电池阴极材料La_(0.7)Sr_(0.3-x)Ca_xCo_(0.8)Fe_(0.2)O_(3-δ)(x=0.05、0.10、0.15、0.20)的粉料并研究了粉料的各种性能。结果表明,前驱体800℃煅烧3h形成粉料具有六角晶系钙钛矿结构;Ca2 和Sr2 双掺杂取代La3 进入晶格后,随着Ca2 含量x增加,La_(0.7)Sr_(0.3-x)Ca_xCo_(0.8)Fe_(0.2)O_(3-δ)晶胞a轴方向缩短c轴方向拉长,晶胞体积减小;且1200℃烧结3h后所有样品电导率在降低。温度升高到490℃,掺杂样品的电导率出现最大值,温度继续升高晶格氧逸出导致电导率降低。当x=0.10和0.15时,阴极材料电导率在500～650℃范围内基本相等且高于700S/cm,并与Ce0.8Sm0.2O2热性能的表现一致,且两者阴极材料在650℃时,所组装单电池的输出功率明显大于350mW/cm2。     

Ni/YSZ阳极材料的制备及性能研究

Ni/YSZ金属陶瓷是固体氧化物燃料电池(SOFC)目前广泛使用的阳极材料。对采用机械混合法制备的Ni/YSZ金属陶瓷的显微结构和电性能进行了研究,试样分别在1300℃、1325℃、1350℃、1375℃和1400℃烧结2h,然后在800℃、H2气氛下还原4h。测试了在不同烧结温度下生成的NiO/YSZ复合材料和Ni/YSZ金属陶瓷的密度,并计算了其相对密度。通过X射线衍射(XRD)法分析了不同试样的相组成。通过扫描电子显微镜(SEM)法和光学显微镜,观察了其微观结构,发现氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)形成了连续的网络结构,Ni颗粒均匀地分布在网络结构中,这有助于电导率的提高。用四端子法进行了电导率测试,确定了理想的烧结温度为1400℃。实验结果表明,1400℃烧结试样在800℃、H2气氛下还原4h,气孔率达到25%。在600～800℃之间,其电导率高达103.3S/cm。说明Ni/YSZ金属陶瓷适合作中温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)阳极材料。     

新型ITSOFC阴极材料Ln_(0.7)Sr_(0.3)CoO_(3-δ)的合成与电性能研究

为降低制备阴极材料的成本、促进中温固体氧化物燃料电池(ITSOFC)的工业化进程,采用混合稀土作为主要原料.外加SrCO3、CO2O3固相法制备了Ln0.7Sr0.3CoO3-δ(简:LnSC,Ln为混合稀土)复合氧化物.TG-DSC、XRD对LnSC材料的合成过程以及不同温度下烧结行为进行了研究,并考察了LnSC材料的电性能.结果表明:混合稀土促进了SrCO3在700～950 ℃的分解反应,同时在1100℃时新相Ln07Sr0.3CoO3-δ基本形成.1200℃烧结4 h后合成产物为CeO2立方萤石相与钙钛矿相的共存.该材料电导率在340℃时达到最大值638 S/cm,500～800 ℃时,电导率超过500 S/cm,其电导活化能为7.86 kJ/mol.满足ITSOFC对阴极材料的要求.     

类钙钛矿复合氧化物La_(2-x)Sr_xNiO_4的合成及电学性能

采用柠檬酸硝酸盐燃烧法合成了La2-xSrxNiO4(LSN)阴极材料,并系统地研究了LSN的热膨胀性能、电子电导率,并考察了基于Ce1.8Sm0.2O1.9(SDC)电解质的LSN电极极化性能.结果表明,自燃烧产物经1 000℃煅烧2 h形成了单一的K2NiF4结构,25～800℃范围内,LSN材料的热膨胀系数在13.7×10-6～14.3×10-6K-1. La1.4Sr0.6NiO4电子电导率最高,为151.5～155.7 S/cm(600～800 ℃).极化测试结果显示,未掺杂的LSN具有最小的极化电阻(0.48Ω·cm2,800℃),电流密度为0.3 A/cm2时,过电位约为0.083 V.     

低温SOFC的SDC-碳酸盐复合物电解质

采用钐掺杂的氧化铈(SDC)-碳酸盐复合物作为低温固体氧化物燃料电池电解质。分别采用燃烧法和共沉淀法制备SDC,记为NSDC和CSDC。将这两种SDC分别与Li2CO3-Na2CO3二元共熔物复合制备了SDC-碳酸盐复合电解质材料。通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和电导率测试对两种复合电解质材料的结构、形貌和电性能进行了表征,并考察了燃料电池输出性能。结果表明,氧化物的制备方法影响复合电解质的形貌和电性能;复合大大提高了电解质的电导率,复合电解质的电导率在碳酸盐熔融点附近突然增大;NSDC-碳酸盐复合物具有更高的电导率,以H2和空气为燃料和氧化气体的电池性能测试显示,600℃时开路电压为1.02V,最大比功率为473mW/cm2。     

溶胶-凝胶制备工艺对Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3的影响

为研究溶胶-凝胶法制备工艺对Li_1.3Al_0.3Ti_1.7(PO₄)₃(LATP)固态电解质的影响,利用XRD、SEM、电化学阻抗谱(EIS)和热重(TG)-示差扫描量热(DSC)等方法,分析LATP的物相组成、形貌及导电性能。当合成体系的pH=7.0并添加20%过量的锂盐时,可制备出纯相LATP;前驱体经750℃煅烧后再烧结,有利于LATP的致密化。在800℃下低温烧结制备的LATP具有最佳的电导率,为1.1×10^-4 S/cm。     

Sol-gel法合成La0.8Sr0.2Co1-yFeyO3及其电性能研究

采用溶胶-凝胶法合成中温固体氧化物燃料电池阴极材料La0.8Sr0.2Co1-yFeyO3,通过热重-差热分析法(TG-DTA)、X射线衍射光谱法(XRD)分析了合成过程,在800℃焙烧2 h得到完整的晶体.通过直流伏安法和交流阻抗法研究了材料的电子电导率和离子电导率;在700℃时,La0.8Sr0.2Co0.5Fe0.5O3的电子电导率和离子电导率分别为386 S/cm和0.001 3 S/cm;La0.8Sr0.2Co0.9Fe0.1O3的电子电导率和离子电导率分别为650 S/cm和0.042 S/cm,能够满足中温燃料电池要求.La0.8Sr0.2Co1-yFeyO3电极过程是由O2-离子界面反应所控制.     

La掺杂SrTiO3阳极材料性能研究

以碳氢化合物为燃料直接电化学氧化是目前固体氧化物燃料电池(SOFC)的发展方向,寻求新的阳极材料是其发展的关键。采用固相法合成了La掺杂的钛酸锶Sr1-1.5xLaxTiO3(x=0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)钙钛矿复合体系氧化物,对合成产物的结构、烧结性能、高温电导性能进行了测定,研究了不同La掺杂量对阳极材料电导率的影响,通过X射线衍射(XRD)分析研究了掺杂钛酸锶阳极材料与YSZ电解质的相容性。研究结果表明,从600～800℃,Sr1-1.5xLaxTiO3电导率随温度的升高呈现单调降低趋势,当x=0.3时电导率最高,在800℃时达到103.5S/cm,在1400℃下和YSZ电解质有良好的化学相容性。     

Ce_(0.8)Y_(0.2)O_(1.9)电解质的制备及性能

以金属硝酸盐为原料,碳酸钠为共沉淀剂制备了电解质材料Ce0.8Y0.2O1.9(20 YDC),并对其性能进行了研究。XRD测试表明碳酸盐前躯体经600℃煅烧处理即可得到萤石结构氧化物,TEM观察煅烧后的粉体为分散性较好的球形纳米颗粒。对700℃煅烧的粉体冷压成型后进行烧结性能的研究,SEM分析和致密度的测量表明经1 400℃烧结4 h致密度能达到95%以上。利用两端子交流阻抗谱法在400～700℃空气气氛中测量了电解质的电性能,1 400℃烧结的20YDC电解质在700℃和600℃的电导率分别为0.04、0.015 S/cm,电导活化能为0.85 eV,表明其有望应用于中低温固体氧化物燃料电池。     

Y掺杂SrTiO3阳极催化剂材料性能研究

直接对碳氢化合物燃料进行电化学氧化是目前固体氧化物燃料电池(SOFC)的发展方向,寻求新的阳极催化剂材料是其发展的关键。采用固相法合成了Y掺杂的钛酸锶Sr1-1.5xYxTiO(3x=0.06,0.08,0.1)钙钛矿复合体系氧化物,对合成产物的结构、烧结性、高温电导率进行了测定,研究了不同烧结温度对阳极催化剂材料电导率的影响,并通过微观结构的研究,探讨了不同烧结温度对电导率的影响机理。研究表明,最佳烧结温度为1400℃,从400℃到1000℃电导率呈现单调降低趋势;当x=0.08时电导率最高,在800℃时达到26S·cm-1。     

类钙钛矿结构La2Ni0.5M0.5O4+δ(M=Co,Cu)材料的合成与电性能

用XRD和传统直流四极探针电导测试法研究了烧结制度和不同掺杂元素对固相反应所合成的La_2Ni_(0.5)M_(0.5)O_(4 δ)(M=Co,Cu)材料结构和电性能的影响。实验结果发现:固相反应可以合成出类钙钛矿结构La_2Ni_(0.5)M_(0.5)O_(4 δ)(M=Co,Cu)材料。随着烧结温度的提高和保温时间的延长,该类材料的晶型更加趋于完整,晶粒尺寸也在不断长大;同时该类材料在1300 ℃、5 h情况下形成的样品,其电导率在空气中于100～800 ℃条件下也在增加,但保温时间对电导率的影响要大于烧结温度对其影响,因此确定该类材料固相反应法合成的烧结温度为1 400 ℃保温时间14 h。掺杂Co、Cu后的材料La_2NiO_(4 δ),其电导率均有增加,但掺杂Co后材料电导率要大于掺杂Cu的电导率。     

IT-SOFCs阴极材料Sm_(0.8)La_(0.2)Ba_(1-x)Sr_xFe2O_(5+δ)的制备与表征

采用EDTA-甘氨酸联合络合法制备层状钙钛矿材料Sm0.8La0.2Ba1-xSrxFe2O5+δ(x=0,0.25,0.50)。通过对材料晶体结构,显微形貌,电导率和电化学性能的分析,探索其作为中温固体氧化物燃料电池阴极材料的可行性。结果表明:Sr部分取代Ba并未改变材料有序层状结构。Sr的掺入提高材料电导率,随着掺入量提高,600~800℃平均电导率分别为18.35,24.85和48.20 S/cm。材料极化电阻随Sr掺入而稍微增大,较之常见无钴阴极仍较理想。700℃时,单电池功率密度分别为219.7,299.5和258.9 m W/cm2。作为初步研究成果,可知Sm0.8La0.2Ba1-xSrxFe2O5+δ,特别是x=0.25时,可以成为有潜力的中温固体氧化物燃料电池阴极材料。     

La_2Ni_(0.8)Fe_(0.2)O_(4+δ)-La_(0.6)Sr_(0.4)Co_(0.8)Fe_(0.2)O_(3-δ)复合阴极的性能研究

研究了La_2Ni_(0.8)Fe_(0.2)O_(4+δ)(LNF-02)-La_(0.6)Sr_(0.4)Co_(0.8)Fe_(0.2)O_(3-δ)(LS CF)复合阴极材料(LNF-02-x LS CF,10≤x≤40)的电性能、电化学性能、热膨胀性能。研究结果表明,LNF-02、LSCF、SDC之间的化学相容性良好。LNF-02-x LSCF复合阴极材料的电导率在600~800℃范围内均高于100 S/cm,且随着LSCF复合量的增加而逐渐升高。1 000℃煅烧制备的复合阴极与SDC电解质接触良好,表现出最低的极化电阻。LSCF的最佳复合量为20%(x=20),此时LNF-02-20LSCF的热膨胀系数为14.36×10~(-6) K~(-1)。1 000℃煅烧制备的LNF-02-20LSCF复合阴极在750℃测试的界面极化电阻为0.68Ω·cm~2。结果显示,LNF-02-20LS CF复合阴极材料有望成为新型IT-S OFC阴极材料。     

不同方法合成的LiMn_(1.9)Al_(0.05)Mg_(0.05)O_(3.9)F_(0.1)的性能

比较了硝酸盐-氨基乙酸燃烧(GNC)法和溶胶-凝胶(SG)法合成的锂离子电池电极材料Li Mn1.9Al0.05Mg0.05O3.9F0.1的电化学性能。不同的合成方法,导致材料的晶相结构、形貌、比表面积及电化学性能上的差异。与SG法相比,GNC法合成的样品电化学性能更好,在25℃、55℃时,第20次循环的容量保持率分别为98.1%、93.1%。     

La_(0.9)Sr_(0.1)Ga_(0.8)Mg_(0.2)Al_xO_(3-δ)(x=0~0.05)电解质电导率的研究

用固相合成法制备了La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2AlxO3-δ(x=0~0.05)电解质。利用四电极交流阻抗法和Hebb-Wagner极化法测量了电解质的总电导率和电子电导率。结果表明:电解质的总电导率与氧分压无明显依赖关系,且随着Al2O3含量的增加而减小。在800℃下,电解质的自由电子电导率以及电子空穴电导率的氧分压级数分别为-1/4和1/4,符合Hebb-Wagner公式。随着Al2O3含量的增加,电子空穴电导率变化不明显,自由电子电导率减小。     

共沉淀工艺对NiO-YSZ粉料制备及组成的影响

以NH3*H2O、NH3*H2O-NH4HCO3缓冲溶液、NaOH溶液为沉淀剂,通过共沉淀法制备了NiO-YSZ固体氧化物燃料电池阳极粉料;通过对比原始配方和最终粉料的质量,分析组成的准确性.由热重分析确定粉料的煅烧工艺,分别在600 ℃、800 ℃、1 000 ℃煅烧1 h后,进行X射线衍射(XRD)分析和透射电子显微镜(TEM)微观结构观察.研究结果表明,煅烧后的粉料中得到了立方晶型NiO和YSZ(由Y2O3稳定的ZrO2),颗粒大小呈阶梯状分布.对以NH3*H2O为沉淀剂制得的粉料进行组成分析,发现NiO-YSZ粉料严重偏离了原组成,镍含量较低,这是因为Ni2+以[Ni(NH3)4]2+形式流失,可见氨水不宜作为沉淀剂制备阳极基体的粉料.以NH3*H2O-NH4HCO3缓冲液为沉淀剂,在一定程度上提高了NiO的收率;利用NaOH溶液为沉淀剂可以完全避免Ni2+流失,能够较准确地控制粉料组成.     

锂离子蓄电池正极材料LiMn2O4的掺杂改性

采用差示扫描量热法(DSC)、X射线衍射光谱法(XRD)、扫描电子显微镜法(SEM)和充放电循环等手段对掺杂F、Co元素的LiMn2O4材料性能进行测试,并比较了不同烧结温度及不同F元素掺杂量材料的性能。结果表明液相法制备的LiCoxMn2-xO4-yFy材料在800℃左右连续烧结晶型较好,F的掺杂量不会改变材料的晶型,但晶格参数随着温度和F的掺杂量增加而增加;电性能测试表明LiCoxMn2-xO4-yFy材料的充放电曲线有两个电压平台,且LiCoxMn2-xO4-yFy材料的循环稳定性较纯LiMn2O4有了明显提高,尤其以800℃条件下连续焙烧24h、y为0.2时的材料电性能较好。     

SOFC连接材料Nd_(1-x)Ca_xCrO_(3-δ)的制备及性能研究

为了探索适用于中温固体氧化物燃料电池的连接材料,采用柠檬酸法制备了Nd1-x Ca x CrO3-δ(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4)粉体,研究了Ca2+的掺杂对材料烧结性能、电性能和热膨胀性能等的影响。实验表明,当测试温度为800℃时,Nd0.6Ca0.4CrO3-δ材料在空气和氢气气氛中电导率分别为56.4和1.6 S/cm。在30~800℃随着Ca2+掺杂量从0.1增加到0.4,平均热膨胀系数(TECs)值从6.5×10-6K-1增大到7.8×10-6K-1,与其它常用SOFC材料热匹配性良好。